Два коротких замыкания со срабатыванием вводного автомата, расположенного за пределами территории организации заставили задуматься о селективности вообще и о предохранителях в частности. И не только потому, что доступа к вводному автомату нет, а аварийная служба может приехать через 2-4 часа, понуждая к простою всю компанию на полдня или более. Просто для себя захотелось удовлетворить любопытство, понять проблематику, найти оптимальное решение.
Ключевая проблема в том, что при больших токах короткого замыкания ( в нашем случае это более 400 А) и высоких напряжениях обеспечить селективность срабатывания автомата нагрузки не так просто. В обозначенных условиях после размыкания контактов автомата ток продолжает идти через плазменную дугу вначале между контактами, а затем между пластинами камеры дугогасителя, и время этого процесса может составлять несколько миллисекунд. За это время успевает сработать электромагнитный расцепитель вводного автомата, срабатывающего уже за 1,5-1,8 миллисекунды.
Нужен быстродействующий расцепитель цепи с быстрым гашением дуги после срабатывания. Так, чтобы общее время срабатывания вместе с дугогашением составляло не более 0,5-0,7 мс, тогда вводный автомат не успеет сработать. Начинаем поиск решения. Будем перебирать и сомнительные варианты.
Испытательный стенд состоит из электролитического конденсатора 6500 мкФ 400 В, заряжаемого до 305 Вольт, трехфазного автомата С 20А, нагрузки в виде реостата значением 0,5 Ома и подключенного к нему осциллографа с щупом 1:10 . Таким образом, мы получили возможность измерения токовременных характеристик при расцеплении из-за короткого замыкания на постоянном токе на уровне 400 Ампер. Цена деления по вертикали — 100 Ампер на деление.
Первый тест чисто времени срабатывания автомата C20A. Резкое падение тока, отмеченное красной стрелкой, указывает на окончание срабатывания электромагнитного расцепителя автомата. Далее ток поддерживается дуговым разрядом. Время преддугового срабатывания около 1,8 мс. Общее время срабатывания — 5 мс и в нашем случае оно может также зависеть от емкости конденсатора — источника энергии.
Стоит заметить, что данный автомат не предназначен для работы в сетях постоянного тока, в которых требования к дугогашению более сильные. Они обеспечиваются применением сильного магнитного поля для смещения траектории дуги, увеличения ее длины — все это для ее наискорейшего гашения. В цепях переменного тока напряжение каждые 10 мс (при 50Гц) проходит через нулевой уровень, способствуя гашению дуги. Другими словами, если короткое замыкание случится на пике напряжения, т.е. на полпути полупериода, то остаток времени до падения напряжения до нуля составит всего 5 мс, и дуга погаснет гарантированно еще и по этой причине.
Попытка последовательно включить низковольтную лампочку не дает результата.
Лампа H1 — 55W (взорвалась):
Лампа P45t 75/70W:
Пробки-автоматы оказались совсем не быстродействующими, оставляющими длинный след дугового тока:
Первая попытка изготовления самодельного предохранителя, помещенного в соду, дала обнадеживающий результат: ток почти упал до нуля за короткое время, но потом все же образовалась дуга и привела к негативному сценарию:
Вторая попытка с увеличенной длиной нити до 30 мм наконец-то дала приемлемый результат:
Впервые последовательно включенный автомат не сработал! Ура! Время срабатывания 100 микросекунд.
Но это был предохранитель на совсем малый ток, около 1,7 А, а нам нужен на хотя бы Ампер 5-6.
Увеличение номинального тока предохранителя увеличивает время срабатывания, но не критично, до приемлемых 200-300 микросекунд:
Появился удивительный отрицательный всплеск в конце срабатывания. Природа его пока непонятна.
А как же ведет себя заводской быстродействующий предохранитель на 6 А?
Был приобретен TDM aR 10х38 6A, измерено падение напряжения на нем при разных токах:
Срабатывание имеет характерный след дуги и время срабатывания в 300 микросекунд:
А как будет вести себя предохранитель общего назначения, типа gG?
И такой предохранитель DEKraft ПЦ-102 10х38 gG 6A тоже был приобретен (забегая вперед, песок из него крупный, низкого качества):
Время срабатывания выше, чем у быстродействующего, но не критично, всего 530 микросекунд, автомат C20A не успел сработать.
Ну и конечно же, сработавшие предохранители были просверлены, песок извлечен, вставлены 4 и 5 скрученных нитей 0,07мм диаметром, засыпан мелкий песок фракцией 0,1-0,2 мм, проведены испытания.
4 жилы, время срабатывания 275 микросекунд:
5 жил, время срабатывания 375 микросекунд:
В заключение фотография песка. Слева вверху — приобретенный на озоне с фракцией 0,1-0,2 мм; справа вверху — из DEKraft ПЦ-102 10х38 gG 6A ; посередине внизу — из TDM aR 10х38 6A:
Стоит заметить, что в паспорте к предохранителям рекомендовано вертикальное рабочее положение. Это обусловлено тем, что столб песка при таком положении более плотно окружает нить и способствует более быстрому гашению дуги.
Выводы:
Для селективной защиты нагрузки наиболее пригодны быстродействующие плавкие вставки типа aR. Допустимы плавкие вставки общего назначения gG. Важно не превышать номинальным током порогового значения, иначе время срабатывания увеличится и может нарушится селективность из-за риска срабатывания магнитного расцепителя вышестоящего автомата.
Плавкие вставки ремонтопригодны при наличии нужных инструментов, материалов и навыков.
Табличная памятка по результатам измерений:
| Параметр \ Тип | DEKraft ПЦ-102 10х38 gG 6A | TDM aR 10х38 6A | 4 нити 0,07 меди | 5 нитей 0,07 меди |
| Падение на 1A, мВ | 27 | 34 | 40 | 29 |
| Падение на 3A, мВ | 85 | 110 | 128 | 93 |
| Падение на 5A, мВ | 156 | 215 | 245 | 174 |
| Падение на 6A, мВ | 202 | 295 | 322 | 229 |
| Время срабатывания, мкс | 530 | 300 | 275 | 375 |
| Остаточное напряжение на питающем конденсаторе с 305 В, В | 263 | 290 | 287 | 281 |
Спасибо за внимание!