Bussmann – передовые технологии защиты промышленного оборудования

 Скачать вёрстку статьи в формате PDF >>

Авторы: Виталий Хаймин, Андрей Черняк

fuse@bussfuse.ru

         Хотя первый предохранитель был запатентован Эдисоном в 1880 году, они широко использовались ещё с 1864 года для защиты электрического телеграфа, и  лишь позднее начали использоваться для систем распределения электроэнергии. Сегодня предохранители обеспечивают надёжную и экономичную защиту от перегрузки по току в современных электрических системах.  Устройство предохранителя претерпело значительную эволюцию с тех времён, хотя принцип действия остался тем же –  сверхток, проходя через специально разработанные элементы предохранителя, заставляет их плавиться, тем самым разрывая цепь. Помимо тока срабатывания и рабочего напряжения, предохранитель имеет целый ряд дополнительных характеристик, которые зависят от конкретной области применения и уникальных требований защиты. Поэтому существуют тысячи различных моделей предохранителей, причем большинство  из них имеют десятки различных номиналов токов срабатывания.

Компания Bussmann является ведущей компанией в мире по количеству выпускаемых моделей плавких предохранителей. Продукция компании используется во многих отраслях: распределительные сети, электроника, телекоммуникации, автомобилестроение, космическая и военная промышленность. Образованная в 1914 году братьями Элом, Фрэнком, Джо, Гарри и Ли Бусман в Сент-Луисе, штат Миссури, компания считается признанным мировым лидером в производстве предохранителей. Заводами компании в Великобритании, Дании, Мексике, Бразилии и  США производится свыше одного миллиарда предохранителей в год. Общее число сотрудников компании составляет более пяти тысяч  человек по всему миру. Штаб-квартиры компании  Bussmann расположены в пригороде Сент-Луиса (США) и в графстве Лестершир (Англия).  Высокое качество продукции компании обеспечивают производственные мощности в Европе, Азии,  Северной и Южной Америке.

Специалисты Bussmann могут предложить экспертные консультации по наилучшему способу защиты конкретных схем и приложений. Техническая поддержка включает в себя возможность тестирования в центре Paul P. Gubany Cooper Bussmann. Это единственный испытательный центр в мире, способный генерировать 300 тысяч ампер тока короткого замыкания.  

Компания постоянно ведет исследования, направленные на повышение надежности и точности срабатывания плавких вставок. Серийно выпускаемые модели имеют погрешность тока срабатывания менее 10% в диапазоне температур от -20 до +55 градусов Цельсия. Конечно, эти предохранители можно эксплуатировать и в более экстремальных условиях, но не нужно забывать, что плавкий предохранитель – это прибор, срабатывающий за счет преобразования электроэнергии в тепло. При более низких температурах  требуется больше энергии, чтобы сработал плавкий элемент, поэтому при расчете номинала предохранителя, используемого при экстремальных температурах, это нужно обязательно учитывать. Также при расчете предохранителей используют поправочные коэффициенты, зависящие от режима охлаждения, атмосферного давления, частоты тока, скважности импульсов и многих других параметров.

Ограничение тока предохранителем при коротком замыкании

Правильный расчет предохранителя позволяет достичь так называемого токоограничивающего эффекта, когда предохранитель сгорает задолго до того, как ток перегрузки достигнет своего максимального значения (Рис.2).  В этом состоит одно из основных преимуществ плавких предохранителей перед автоматическими выключателями, которые способны разорвать цепь только за десятки миллисекунд.  За это время ток в сети 50 Гц несколько раз успевает достигнуть своего максимального значения, что приводит к значительным перегрузкам защищаемого оборудования. Правильно рассчитанный  предохранитель разрывает цепь задолго до того, как будет достигнуто максимальное значение первого полупериода сети, тем самым не вызывая разрушительных перегрузок в нагрузке. Именно поэтому не рекомендуется менять оригинальный предохранитель на аналогичный, пусть даже с таким же током.

Защита IGBT инвертора, питающего трехфазный электродвигатель

Особенно критичен правильный выбор предохранителя в схемах с полупроводниковыми силовыми ключами.  Плавкие предохранители могут быть установлены последовательно с каждым из полупроводниковых ключей и таким образом точно отреагировать на броски тока именно в данном конкретном участке цепи (Рис. 3). Во многих случаях это позволяет спасти схему от дорогостоящего ремонта. Но при определенных обстоятельствах ток в таких цепях может нарастать за время, исчисляемое  всего десятками микросекунд. Конечно, никакой предохранитель не способен ограничить ток  за такое короткое время. Получается, что предохранитель не способен спасти ключевой транзистор от резкого превышения тока. Тогда зачем он нужен? Дело в том, что после сгорания ключа ток в цепи начинает лавинообразно нарастать и если этот процесс не прекратить в течение короткого времени, произойдет тепловой взрыв компонентов цепи.  Разлетевшиеся осколки  вызовут повреждение окружающего оборудования и даже пожар. Предохранитель в такой ситуации исполняет роль защиты не только конкретной цепи,  но и всего устройства в целом.

Для такого применения Bussmann выпускает специальный класс быстродействующих предохранителей (Рис.4). На их корпусе стоит обозначение в виде диода с предохранителем. Конечно, внутри предохранителя никаких полупроводниковых устройств нет, там та же плавкая вставка, рассчитанная и изготовленная специальным образом. Поскольку количество различных  приложений с полупроводниковыми ключами просто огромно, то это приводит к необходимости  большого ассортимента типов предохранителей.  Bussmann предлагает огромный выбор быстродействующих моделей предохранителей, что позволяет подобрать предохранитель для любой ситуации. Специалисты компании помогут подобрать нужный тип предохранителя для конкретной схемы и, при необходимости, могут разработать и произвести специальный тип предохранителя под нужды заказчика.

Предохранитель Bussmann в корпусе Square Body с внешним индикатором

Особое направление деятельности компании - это предохранители для постоянного тока. Многие производители не выделяют их в своей линейке, рекомендуя клиентам использовать предохранители переменного тока на повышенное напряжение. Между тем, процесс разрыва цепи на постоянном токе гораздо сложнее из-за переходных процессов. Компания Bussmann выпускает специальные предохранители на постоянный ток. Благодаря точно рассчитанным параметрам такие предохранители обеспечивают срабатывание при малых перегрузках, быстро и надежно защищая оборудование. 

Защита модулей солнечных батарейПредохранитель Bussmann серии PV для защиты солнечных батарей

Специальная линейка gPV предохранителей (Рис.6) предназначена для защиты солнечных батарей (Рис.5). Их использование позволяет защитить дорогостоящие фотоэлементы при выходе из строя отдельных секций батареи.

Также компания Bussmann выпускает предохранители следующих типов: низковольтные, среднего и высокого напряжения.

Низковольтные предохранители предназначены для защиты электрических цепей переменного тока с напряжением до 1000 В и частотами 50-60 Гц при перегрузках или коротких замыканиях. Предлагаются плавкие вставки на силу тока от 2А до 1600А, как для общего назначения, так и для защиты двигателей (класс gG/aM, gTR).

Предохранители среднего напряжения используются для защиты линий электропередач, трансформаторов, двигателей, конденсаторных батарей в цепях с силой тока от 6.3А до 400А и напряжением от 3.6 до 38кВ.

Высоковольтные предохранители Bussmann

Высоковольтные предохранители, представленные на Рисунке 7, предназначены для  работы с напряжением в десятки киловольт. Благодаря приобретению подразделения защитных устройств Lauritz Knudson (LK-NES), Beswick, а также Hawker Fusegear, компания Bussmann расширила диапазон выпускаемых силовых предохранителей. Компания Bussmann по праву считается пионером в разработке полного спектра высоковольтных плавких вставок и лидером рынка в области защиты электрических сетей. 

Несмотря на кажущуюся простоту, плавкий предохранитель это довольно сложное устройство. Во время нормального режима работы он не должен оказывать на схему никакого влияния. А при определенных, запрограммированных перегрузках он должен быстро отключить огромные мощности. В момент отключения внутри предохранителя практически происходит взрыв, который он должен выдержать без разрушения. Конечно, все предохранители имеют прочный корпус из керамики и металла. Но только этой меры недостаточно, чтобы погасить энергию взрыва. При срабатывании предохранителя плавкий элемент превращается в газ с температурой 2000°С. Ударное расширение газа такой температуры способно разнести вдребезги даже самый прочный материал. Чтобы этого не происходило, все пространство внутри корпуса заполнено кварцевым песком. Газ, просачиваясь между песчинками, остывает и замедляется. Это позволяет рассеять большую энергию без разрыва корпуса предохранителя. И вот здесь кроется одно из важных отличий качественного предохранителя от некачественного. Если песчинки имеют один размер и плотно упакованы в корпус, то газ будет просачиваться сквозь них по длинному пути, постепенно охлаждаясь и замедляясь. Если же песчинки разные, прилегают друг к другу неплотно, то возможен прорыв горячего газа к корпусу, что приведет к разрушению предохранителя. 

Компания Bussmann в своих предохранителях использует только специальный калиброванный кварцевый песок, привозимый из определенных карьеров Шотландии. Наполнение предохранителей происходит на специальных вибростанках, которые утрамбовывают песок до нужного состояния. После сборки каждый предохранитель проверяется на специальной рентгеновской установке на отсутствие пустот. В случае малейшей неоднородности предохранитель будет отправлен на заполнение песком заново. Благодаря этому компания Bussmann отвечает за качество каждого изделия и может гарантировать, что все выпущенные компанией предохранители защитят оборудование не только от электрических перегрузок, но и от механических повреждений при срабатывании предохранителя.

При изготовлении предохранителей Bussmann® используются только качественные материалы. Это позволяет эксплуатировать приборы в течение 30 лет без необходимости какого либо обслуживания. Предохранители устойчивы к ржавчине и могут храниться при влажности до 70% в диапазоне температур от -40 до +80 градусов Цельсия.

Гарантированное качество продукции, соответствующее международным  стандартам IEC, VDE, DIN, UL, CSA, BS обеспечивается индивидуальной проверкой каждого предохранителя, а минимально возможный разброс параметров в линейке, определяемый высоким качеством изготовления, уменьшает вероятность нештатного срабатывания.

Предохранители Bussmann® разрабатываются в соответствии с политикой селективной координации, что значительно упрощает подбор необходимых параметров предохранителей с помощью коэффициента селективности (в том случае, если во всей системе энергопитания используются предохранители Bussmann®). Расширенная  номенклатура облегчает возможность выбора максимально подходящих параметров для каждого конкретного случая. Так что же такое селективная координация и как она может быть достигнута?

Селективная координация

Статья 100 от NEC® гласит, что селективная координация – это локализация перегрузки с целью ограничить отключения в цепи или пострадавшем оборудовании, осуществляемая с помощью правильного выбора устройств защиты от сверхтоков и их номиналов. Говоря простым языком, селективная координация означает, что если перегрузка вызывает срабатывание только ближайшего к месту перегрузки предохранителя, другие предохранители при этом продолжают работать. Иллюстрация этого процесса представлена на рисунке 8. Таким образом, в системе, в которой все устройства защиты избирательно скоординированы, перегрузка по току влияет только на нагрузку, с которой возникли проблемы. Другие нагрузки продолжат получать питание.

Еще одна важная особенность предохранителей Bussmann® - это пониженные потери энергии. При протекании больших токов, предохранитель, как всякий проводник, нагревается. Мощность рассеивания сильноточных предохранителей может достигать сотен ватт. Специальные технические решения Bussmann® позволяют уменьшить почти на четверть потери энергии. Помимо

экономии энергии такие предохранители позволяют улучшить тепловой баланс внутри электроустановок.

Предохранитель Bussmann Fusetron с пониженным сопротивлениемПредохранитель Bussmann Low Peak с системой индикации easyIDПредохранитель Bussmann ATC с системой индикации easyID

 

Особо нужно подчеркнуть разработки Bussmann® в сфере индикаторов. Чтобы исключить неправильную индикацию состояния предохранителя компания разработала специальный двойной индикатор повышенной надежности для стандартных предохранителей типа NH (рис. 10, 11). Использование такого индикатора всегда точно покажет состояние предохранителя независимо от перегрузок. Заслуживает интереса также бинарный цветовой индикатор типа easyID, встроенный в цилиндрические предохранители. Благодаря изменению цвета можно точно определить исправность предохранителя без измерительных приборов.

Совершенно новый подход к проблеме индикации демонстрирует семейство ножевых предохранителей  easyID. Неисправный предохранитель подсвечивается светодиодом, что позволяет легко его обнаружить в панели автомобиля. 

Примеры использования предохранителей Bussmann® можно найти во всех областях: промышленность, транспорт, защита электродвигателей, силовых преобразователей и распределительных силовых щитов, телекоммуникация, сетевое оборудование, электроника, автомобилестроение, жилищный комплекс, а также в таких областях, как авиакосмическая техника, мощные энергетические центры и альтернативные источники энергии.

 Вот несколько уникальных объектов, использующих предохранители Bussmann®:

-мемориал «Ворота на Запад» в Сент-Луисе;

-небоскрёбы «Уиллис-тауэр» и « Башня Джона Хенкока» в Чикаго;

-крупнейшая в мире электростанция «Итайпу», расположенная между Бразилией и Парагваем;

-поезда метро Нью-Йорка;

-монорельсовая дорога во «Всемирном центре отдыха Уолта Диснея»;

-космические челноки NASA и аппараты, спускаемые на Марс.

В России представителем компании Bussmann является компания ITECS - поставщик  материалов и электронных компонентов, а также услуг для комплексного оснащения и снабжения заводов по производству электроники.

 

Литература:

1. Официальный сайт компании Bussmann  http://www.cooperindustries.com

2. IEC 60 269 - 1 Low voltage fuses. Part 1. General requirements.

3. High Speed Fuse Application Guide, Cooper Industries plc, USA,  2010.

4. Selecting Protective Devices Handbook, Cooper Industries plc, USA, 2009

 

Оригинал статьи можно скачать по этой ссылке