Применение предохранителей. Назначение, устройство и применение плавких предохранителей

а) Назначение предохранителя. Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили их очень широкое применение. Предохранители НН изготовляются на токи от мА до тысяч А и на напряжение до 660 В, а предохранители ВН - до 35 кВ и выше.

Предохранители - это ЭА, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ.

Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную или автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.

Широкое применение предохранителей в самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако, несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус или несущую деталь, плавкую вставку, контактное присоединительное устройство, дугогасительное устройство или дугогасительную среду.

б) Принцип работы предохранителя, физические явления в электрическом аппарате. Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определённое значение.

В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путём расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током

защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.

При токах > I плавления предохранитель должен срабатывать в соответствии с времятоковой характеристикой. Сростом тока степень ускорения перегорания плавкой вставки должна возрастать намного быстрее тока. Для получения такой характеристики придают вставке определенную форму или используют металлургический эффект.

Вставку выполняют в виде пластинки с вырезами (рис. 6.1,а ), уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженых участках

Рис.6.1 – Распределение температур (а ) и места перегорания фигурных плавких вставок при перегрузках (б ) и при КЗ (в )

выделяется больше теплоты, чем на широких. При I ном избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распределятся к более широким частям и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках (I ) нагрев суженных участков идет быстрее, т.к. только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рис 6.1,б ). При КЗ (I » ) нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом теплоты от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или нескольких суженых местах (рис 6.1,в ).

Во многих конструкциях вставке 1 придается такая форма (рис 6.2,а) , при которой электродинамические силы F, возникающие при токах КЗ, разрывают вставку еще до того, как она успевает расплавиться. На рис. 6.2,а место разрыва обозначено кружком. Этот участок выполняется меньшего сечения.

Рис. 6.2. Примеры форм плавких вставок с ускоренным их разрывом

При токах перегрузки электродинамические силы малы и плавкая вставка плавится.в суженом месте. В конструкции на рис. 6.2,б ускорение отключения цепи при перегрузках и КЗ достигается за счет пружины 2, разрывающей вставку 1 при размягчении металла на суженных участках, до того, как происходит плавление этих участков.

Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять другие тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Это явление используется в предохранителях с вставками из ряда параллельных проволок.

Для ускорения плавления вставок при перегрузках на проволоки напаиваются оловянные шарики. При токах перегрузки шарик расплавляется и растворяет часть металла, на котором он напаян. Вставка перегорает в месте напайки шарика.

Параметры предохранителя

Предохранитель работает в двух резко различных режимах: в нормальных условиях и условиях перегрузок и КЗ. В первом случае перегрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки Iном. Он может быть отличен от номинального тока самого предохранителя.

Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на разные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя , указанный на нем, равен наибольшему из токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

Защитные свойства предохранителя при перегрузках нормируются. Для предохранителей обычного быстродействия задаются условный ток не плавления - ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка не должна перегореть, условный ток плавления - ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка должна перегореть. Например, для предохранителя с плавкими вставками на номинальные токи 63 -100 А плавкие вставки не должны перегореть при протекании тока 1,3 I ном в течении одного часа, а при токе 1,6 I ном должны перегореть за время до одного часа.

Рассмотрим нагрев вставки при длительной нагрузке.

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика , представляющая собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока t =f(i ). Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 6.3) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 6.3) . Однако реальная характеристика предохранителя (кривая

3) пересекает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске

Рис. 6.3. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта

двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. Поэтому ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересекаются. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает. При небольших перегрузках (1,5 – 2)I ном нагрев предохранителя протекает.медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде,

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным током I noгp. Для того, чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе I ном, необходимо I noгp > I ном. С другой стороны, для лучшей защиты значение I noгp должно быть возможно ближе к номинальному.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и сплавы (медь, серебро, цинк, свинец, алюминий).

Рассмотрим нагрев вставки при КЗ.

Если ток, проходящий через вставку, в 3 - 4 раза больше I ном, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т.е. все тепло, выделяемое вставкой, идет на ее нагрев.

Время нагрева вставки до температуры плавления

,

где А"- постоянная, определяемая свойствами материала; q - поперечное сечение вставки; j к -плотность тока вставки.

По мере того как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится (в десятки раз). Время перехода из твердого состояния в жидкое

,

где - удельное сопротивление материала вставки при температуре плавления; - удельное сопротивление материала вставки в жидком состоянии; у - плотность материала вставки; L - скрытая теплота плавления материала

Основным параметром предохранителя при КЗ является предельный ток отключения - ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наибольшем рабочему напряжению.

Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем

t пр= t пл + t перех + t дуги

Для предохранителя со вставкой, находящейся в воздухе

,

где коэффициент n =3 учитывает преждевременное разрушение вставки, a k 0 = 1.2 -1.3 учитывает длительности горения дуги.

В предохранителях с наполнителем (закрытого типа) разрушение вставки до полного ее плавления менее вероятно. Время отключения цепи предохранителем

,

Коэффициент к д = 1,7 -2 учитывает длительность горения дуги.

Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева протекает так быстро, что тепло почти не успевает отводится на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко снизить время с момента начала КЗ до появления дуги. Процесс гашения дуги начинается до момента достижения током КЗ установившегося или даже амплитудного значения. Дуга образуется через время t 1 после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значения I k уст.

Средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, т. К. Отклю­чается не установившийся ток КЗ, а ток, определяемый временем плавления вставки.

Рис. 6.4. Отключение постоянного и переменного тока предохранителем с токоограничением

Конструкция предохранителей

в) Устройство предохранителя. Широкое применение предохранителей в

самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако, несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус или несущую деталь, плавкую вставку, контактное присоединительное устройство, дугогасительное устройство или дугогасительную среду.

Любая электрическая цепь состоит из отдельных элементов. Для каждого из них характерны определённые значения силы тока, при которых данный элемент работоспособен. Увеличение силы тока сверх этих значений может вызвать повреждение элемента. Это происходит из-за недопустимо высокой температуры или по причине довольно-таки быстрого изменения структуры этого элемента от воздействия тока. В таких ситуациях предохранители различных конструкций позволяют избежать порчи элементов электрических цепей.

Их классификация основана на способе разрыва электрической цепи этими предохранителями, и поэтому можно перечислить те из них, которые наиболее широко применяются следующие виды предохранителей:

• плавкие,
• электромеханические,
• электронные,
• самовосстанавливающиеся.

Способ разрыва электрической цепи охватывает всю совокупность процессов, которые происходят в предохранителе при его срабатывании.

• Плавкие предохранители разрывают электрическую цепь в результате расплавления плавкой вставки.
• Электромеханические предохранители содержат контакты, которые отключаются деформирующимся биметаллическим элементом.
• Электронные предохранители содержат электронный ключ, который управляется специальной электронной схемой.
• Самовосстанавливающиеся предохранители изготовлены с применением особых материалов. Их свойства изменяются при протекании тока, но восстанавливаются после уменьшения или исчезновения тока в электрической цепи. Соответственно сопротивление сначала увеличивается, а затем вновь уменьшается.

Плавкие

Самыми дешёвыми и наиболее надёжными являются плавкие предохранители. Плавкая вставка, которая после увеличения силы тока сверх установленной величины плавится, или даже испаряется, гарантированно создаёт разрыв в электрической цепи. Эффективность такого способа защиты определяется главным образом скоростью процесса разрушения плавкой вставки. Для этого она изготавливается из специальных металлов и сплавов. Главным образом это такие металлы как цинк, медь, железо и свинец. Поскольку плавкая вставка по сути своей токопроводящая жила она ведёт себя как проводник, для которого характерны графики, показанные далее.

Поэтому для правильной работы плавкого предохранителя тепло, которое выделяется в плавкой вставке при номинальном токе нагрузки не должно приводить к её перегреву и разрушению. Оно рассеивается в окружающую среду через элементы корпуса предохранителя, нагревая вставку, но без разрушительных последствий для неё.

Но если ток увеличится, баланс тепла нарушится, и температура вставки начнёт возрастать.

При этом произойдёт лавинообразное нарастание температуры из-за увеличения активного сопротивления плавкой вставки. В зависимости от скорости нарастания температуры вставка либо расплавляется, либо испарятся. Испарению способствует вольтова дуга, которая может возникать в предохранителе при значительных величинах напряжения и тока. Дуга на какое-то время заменяет собой разрушенную плавкую вставку, поддерживая ток в электрической цепи. Поэтому её существование также определяет временные характеристики отключения плавкой вставкой.

• Времятоковая характеристика — главный параметр плавкой вставки, по которому делается выбор её для той или иной электрической цепи.

В аварийном режиме важно наиболее быстро разорвать электрическую цепь. С этой целью для плавких вставок применяются специальные методы, такие как:

• местное уменьшение её поперечника;
• «металлургический эффект».

В принципе это похожие методы, которые позволяют, так или иначе, вызвать местный более быстрый нагрев вставки. Переменное сечение при меньшем поперечнике нагревается быстрее, чем при большем сечении. Чтобы дополнительно ускорить разрушение плавкой вставки она делается составной из пачки одинаковых проводников. Как только один из этих проводников перегорит, суммарное сечение уменьшится и перегорит следующий проводник и так далее до полного разрушения всей пачки из проводников.

Металлургический эффект применяется в тонких вставках. Он основан на получении местного расплава с более высоким сопротивлением и растворении в нём основного материала вставки с малым сопротивлением. В результате местное сопротивление увеличивается, и вставка более быстро расплавляется. Расплав получается из капель олова или свинца, которые наносятся на медную жилку. Такие методы применяются для маломощных предохранителей на токи до нескольких единиц ампер. В основном они применяются для различных бытовых электроприборов и устройств.

Форма, размеры и материал корпуса может изменяться в зависимости от модели плавкого предохранителя. Стеклянный корпус удобен тем, что позволяет увидеть, в каком состоянии пребывает плавкая вставка. Но зато керамический корпус дешевле и прочнее. Под определённые задачи адаптированы другие конструктивные исполнения. Некоторые из них показаны на изображении далее.

На основе трубчатых керамических корпусов устроены обычные электрические пробки. Собственно пробка – это корпус, который специально сделан под патрон для удобного использования предохранителя. Некоторые конструкции пробок и керамических предохранителей снабжены механическим индикатором состояния плавкой вставки. При перегорании её срабатывает устройство типа семафора.

При увеличении силы тока сверх 5 – 10 А появляется необходимость гашения вольтовой дуги внутри корпуса плавкого предохранителя. Для этого внутреннее пространство вокруг плавкой вставки заполняется кварцевым песком. Дуга быстро нагревает песок до выделения газов, которые препятствуют дальнейшему развитию вольтовой дуги.

Несмотря на определённые неудобства, обусловленные необходимостью запаса предохранителей для замены, а также замедленным и недостаточно точным для некоторых электрических цепей срабатыванием, этот тип предохранителей самый надёжный из всех. Надёжность срабатывания тем больше, чем выше скорость нарастания тока через него.

Электромеханические

Предохранители электромеханической конструкции принципиально отличаются от плавких предохранителей. В них есть механические контакты и механические элементы для управления ими. Поскольку надёжность любого устройства уменьшается по мере его усложнения, для этих предохранителей хотя бы теоретически, но существует вероятность такой неисправности, при которой установленный ток срабатывания не будет отключён. Многократность срабатывания – существенное преимущество этих устройств перед плавкими предохранителями. Недостатками можно обозначить такие свойства как:

• появление дуги при выключении и постепенное разрушение контактов из-за её воздействия. Не исключена сварка контактов между собой.
• Механический привод контактов, который дорого полностью автоматизировать. По этой причине повторное включение приходиться делать вручную;
• недостаточно быстрое срабатывание, которое не может обеспечить сохранность некоторых «скоропортящихся» потребителей электроэнергии.

Электромеханический предохранитель часто именуется как «автомат» и присоединяется к электрической цепи либо цоколем, либо клеммами для проводов, зачищенных от изоляции.

Электронные

В этих устройствах механика полностью заменена электроникой. У них только один недостаток с его несколькими проявлениями:

• физические свойства полупроводников.

Этот недостаток проявляется:

• в необратимых внутренних повреждениях электронного ключа от нештатных физических воздействий (превышение напряжения, тока, температуры, радиации);
• ложное срабатывание или поломка схемы управления электронным ключом от нештатных физических воздействий (превышение температуры, радиации, электромагнитного излучения).

Самовосстанавливающиеся

Из специального полимерного материала сделан брусок и снабжён электродами для присоединения к электрической цепи. Такова конструкция этой разновидности предохранителей. Сопротивление материала в заданном температурном диапазоне мало, но резко увеличивается, начиная с определённой температуры. По мере остывания сопротивление снова уменьшается. Недостатки:

• зависимость сопротивления от температуры окружающей среды;
• длительное восстановление после срабатывания;
• пробой превышенным напряжением и выход из строя по этой причине.

Правильный выбор предохранителя обеспечивает существенную экономию средств. Дорогостоящее оборудование, своевременно отключенное предохранителем при аварии в электрической цепи, сохраняет свою работоспособность.

Предохранитель - это коммутационный , предназначенный для отключения защищаемой разрушением специально предусмотренных для этого под действием тока, превышающего определенное значение.

В большинстве предохранителей отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекающим через нее током защищаемой цепи.

После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция производится вручную или автоматически заменой всего предохранителя.

Основными элементами предохранителя являются: корпус, плавкая вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.

Изготовляются на 36, 220, 380, 660 В и постоянного тока 24, 110, 220, 440 В.

Предохранители характеризуются номинальным током плавкой вставки, т.е. током, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы. В один и тот же корпус предохранителя могут быть вставлены плавкие элементы на различные номинальные токи, поэтому сам предохранитель характеризуется номинальным током предохранителя (основания), который равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

Предохранители до 1 кВ изготовляются на номинальные токи до 1000 А.

В нормальном режиме теплота, выделяемая током нагрузки в плавкой вставке, передается в окружающую среду и температура всех частей предохранителя не превышает допустимую. При перегрузках или температура вставки увеличивается и она расплавляется. Чем больше протекающий ток, тем меньше время плавления. Эта зависимость называется защитной (времятоковой) характеристикой предохранителя.

Не должны отключать электрическую цепь при протекании условного тока неплавления и должны отключать цепь при протекании условного тока плавления в течение определенного времени, зависящего от номинального тока (ГОСТ 17242-79Е). Например, при номинальных токах 10-25 А плавкая вставка не должна расплавляться в течение 1 ч при токах 130% номинального и должна расплавляться в течение того же времени при токах 175% номинального.

Чтобы уменьшить время срабатывания предохранителя, применяются из разного материала, специальной формы, а также используется металлургический эффект.

Наиболее распространенными материалами плавких вставок являются медь, цинк, алюминий, свинец и серебро.

– это элемент электрической цепи, основное назначение которого – защита её от повреждения .

Принцип действия

Предохранитель устроен таким образом, что сгорает раньше, чем повреждаются другие элементы. Ведь проще вставить новый предохранитель, чем заменить провода, микросхемы и другие элементы которые могут сгореть при скачке тока в цепи.

Плавким предохранитель называется потому, что в его основе лежит плавкая вставка. Эта плавкая вставка состоит из сплава, который имеет низкую температуру плавления и при возникновении тока опасного для цепи, количества теплоты которое выделяется при протекании такого тока через эту вставку достаточно, чтобы её расплавить. Когда вставка расплавляется - “перегорает”, то цепь оказывается разомкнутой.

Причинами перегорания предохранителя могут быть короткое замыкание , перегрузка и резкие скачки тока.

Мало того, что предохранитель предохраняет цепь от повреждений, так он еще и служит защитой от пожаров и возгораний, так как плавкая вставка перегорает в корпусе предохранителя, в отличие от провода, который может соприкасаться в момент сгорания с горючими материалами.

Случается так, что люди изготавливают так называемый жучок . Обычно это обыкновенный кусочек проволоки, который вставляется взамен предохранителя. Делается это потому, что под рукой нету, предохранителя нужного номинала или с целью обхода защиты. Зачастую, такие жучки приводят к пожарам, так как неизвестно при каком токе такой жучек перегорит и перегорит ли вообще.

Устройство предохранителя

Как было сказано выше, простейший плавкий предохранитель состоит из основной своей части – плавкой вставки (проволока) и корпуса, который предназначен для соединения с электрической цепью и служащий крепежом для вставки.

Преимущества и недостатки

К плюсам плавких предохранителей можно отнести относительно невысокую стоимость.

Основным недостатком плавкого предохранителя является относительно долгое срабатывание по сравнению с автоматическими предохранителями. За время перегорания предохранителя в высоковольтных сетях может выйти из строя оборудование. Кроме того, плавкий предохранитель является одноразовым элементом, то есть, однажды сгорев, дальнейшему использованию он не подлежит, в то время как автоматические предохранители могут довольно долго служить, так как принцип их работы основан на размыкании цепи без повреждения конструкции самого предохранителя.

Основные параметры

Параметры, которые характеризуют плавкий предохранитель – это номинальный ток, номинальное напряжение, мощность , скорость срабатывания.

Где U – напряжение в сети, а P max – максимальная мощность нагрузки с запасом около 20 %.

Скорость срабатывания плавких предохранителей различна. Например, в схемах, где присутствуют полупроводниковые приборы, лучше если предохранитель сгорит быстрее, чтобы не повредить приборы, но если это мощный предохранитель который используется в цепи электродвигателя , то намного полезнее будет, если он не будет каждый раз разрывать цепь в момент броска пусковых токов.

Предохранители применяют для защиты электрических цепей и элементоэлектроустановок от токов короткого замыкания или токов перегрузок.

Предохранитель встраивается в разрыв электрической цепи. Его основной задачей является пропускание рабочего тока и разрыв электрической цепи при появлении сверхтоков. Различают предохранители низковольтные (до 1 кВ) ивысоковольтные (свыше 3 кВ), однако по назначению и принципу действия они полностью совпадают. Также выделяют силовые и быстродействующие предохранители.

Низковольтные предохранители конструктивно представляют собой довольно простое устройство. Токопроводящий элемент (плавкая вставка) под воздействием тока, значение которого выше номинальной величины, нагревается, расплавляется в дугогасящей среде (чаще всего это кварцевый песок SiO2) и испаряется, создавая разрыв в защищаемой электрической цепи.

Изолятор препятствует выходу горячих газов и жидкого металла в окружающую среду. Он изготавливается из высокосортной технической керамики и должен выдерживать при отключении очень высокие температуры и внутреннее давление.

Защитные крышки имеют планки для захвата унифицированными рукоятками для замены плавких вставок низковольтных предохранителей. Вместе с керамическим корпусом они создают взрывонепроницаемую оболочку для коммутационной электрической дуги.

Песок, в свою очередь, важен для ограничения силы тока. Обычно применяется кристаллический кварцевый песок с высокой минералогической и химической чистотой (содержание SiO2 > 99,5%).

Для коммутационной функции важным являются определенный размер кристаллов песка и оптимальное его уплотнение.

Индикатор позволяет быстро находить сгоревшие предохранители. При повышенной жесткости пружины он может служить ударным сигнализатором для приведения в действие микропереключателей или разъединителей.

Припой сдвигает характеристическую кривую к меньшим значениям тока плавления. Он подбирается в соответствии с материалом плавкого элемента и должен находиться в нужном количестве и в нужном месте.

Контактные ножи механически и электрически соединяют плавкую вставку с держателем-основанием предохранителя. Они изготавливаются из меди или медного сплава с покрытием из олова или серебра.

Традиционными материалами, из которых изготовляются плавкие вставки это: медь, цинк, серебро, обладающие необходимым удельным электрическим сопротивлением.

Основным преимуществом при использовании предохранителя с плавкой вставкой является эффект токоограничения. То есть время расплавления плавкой вставки является достаточно малым и, как следствие, ток короткого замыкания не успевает достигнуть своего максимального значения.

Очевидно, что при номинальном уровне тока или меньшем его значении плавкая вставка должна проводить электричество неограниченное количество времени.

Для ускорения времени работы плавкой вставки применяют следующие технические решения:

· плавкие вставки с участками различной ширины (сечения)

· металлургический эффект в конструкции плавких вставок

За счет снижения сечения (сужения) плавкой вставки в определенных местах достигается требуемое - меньшее время размыкания цепи.

Металлургический эффект заключается в следующем: отдельные легкоплавкие металлы (например, свинец и олово) способны растворять в своей структуре более тугоплавкие металлы, такие как медь и серебро.

Для этого на медные проволочки наносятся капли олова. При нагреве сверхтоком оловянные капли быстро расплавляются, расплавляя при этом и часть проволок. Далее используется механизм работы плавкой вставки со сниженным сечением в определенных местах.

Основной причиной продолжающегося роста числа пользователей плавких предохранителей помимо крайне выгодного соотношения цены и результата, а также незначительной занимаемой площади является их общеизвестная надежность, которая характеризует предохранители как «последнюю линию защиты». Только сертифицированные предохранители с плавкими вставками, которые соответствуют заявленным характеристикам, позволят Вам избежать пожаров, возникающих в электропроводке и электроустановках.

БИЛЕТ № 9

1. Назначение и общее устройство топливной системы дизеля 1-ПД4Д.

Топливная система предназначена для хранения, подогрева, очистки и подачи топлива в цилиндры дизеля обеспечивает своевременный впрыск в требуемой по­следовательности определенных порций топлива под высоким давлением в каме­ры сгорания цилиндров дизеля и распыливания его на мельчайшие частицы.

В систему входят топливоподкачивающий насос, топ­ливный насос высокого давления, трубопроводы низкого и высокого давления, топливный бак, топливоподогреватель, фильтры гру­бой и тонкой очистки, форсунки, регуляторы. Топливоподкачивающий насос засасывает топливо из расходного бака че­рез сетчатый фильтр грубой очистки и подает его под давлением не выше 0,53 МПа (5,3 кгс/см2) к топливному фильтру тонкой очистки, установленному на дизе­ле.

Разгрузочный клапан, установленный на магистрали от топливоподкачи­вающего насоса к фильтру, не допускает повышения давления в топливном тру­бопроводе выше 0,53 МПа (5,3 кгс/см2), перепуская излишнее топливо в расход­ный бак по сливной трубке.

Из топливного фильтра тонкой очистки отфильтрованное топливо поступает под давлением в коллектор топливного насоса высокого давления.

Давление 0,25 МПа (2,5 кгс/см2) в топливном коллекторе поддерживается регулирующим клапаном, отводящим избыток топлива по сливной трубе в бак. Клапан 6 и кран 7 служат для аварийного питания дизеля топливом. Топливный насос нагнетает топливо под высоким давлением в форсунки согласно порядку работы цилиндров дизеля.

Просочившееся топливо из форсунок и насоса высокого давления сливает­ся в расходный бак.

1. Назначение и устройство секции топливного насоса высокого давления тепловоза ТЭМ18ДМ.

Топливный насос предназначенный для подачи в цилиндры дизеля под высоким давлением и в соответствии с нагрузкой строго определенных доз топлива на каждый цикл, состоит из следующих основных деталей: картера, кулачкового вала, толкателей, съемных плунжерных секций и коллектора.

Основными деталями секции топливного насоса (рис. 30, а) являются две прецизионные пары, выполненные с высокой точностью и смонтированные вместе с другими ее деталями в корпусе 22, отлитом из чугуна. Первая пара - насосный элемент состоит из гильзы 10 и плунжера /7, а вторая-клапанная пара - из нагнетательного клапана 5 и седла 6, Обе пары изготовлены из высоколегированной термически обработанной стали. Уплотнение в каждой паре достигается путем тщательной притирки одной детали к другой. Поэтому в случае повреждения одной из деталей пара заменяется новой.

Рис 30 Секция топливного насоса (а) и ее нагнетательный клапан (б): 1- нажимной штуцер, 2, 8 - полости, сообщающиеся с нагнетательным трубопроводом, 3 - пружина нагнетательного клапана, 4- упор; 5- нагнетательный клапан, 6 - седло нагнетательного клапана, 7 - резиновое уплотнителььое кольцо, 9 - надплунжерное пространство, 10 - гильза, 11- плунжер; 12 - вертикальный паз, 13 - кольцевая выточка; 14 - верхняя кромка, 15 - нижняя кромка, 16, 27 - стопорные вннты, 17 - регулирующая рейка, 18 - пружина плунжера, 19 - направляющий стакан, 20 - тарелка пружины нижняя, 21 - стопорное кольцо; 22 - корпус секции, 23 - пружинное кольцо, 24 - тарелка пружины верхняя, 35 - шестерня; 26 - отверстие, 28 - паз, 29 - всасывающая полость корпуса, 30-уплотннтельное медное кольцо; 31 - нагнетательный клапан; 32 - седло нагнетательного клапана, 33 - пружина нагнетательного клапана (1- до модернизации! 11- после модернизации)

Гильза 10 плунжера насосной пары выполнена в виде цилиндра с утолщенной верхней частью. Два сквозных отверстия 26 в верхней части соединяют надплунжерное пространство 9 гильзы с полостью 29 корпуса, к которой подводится топливо. Одно из этих отверстий на наружной поверхности гильзы имеет коническую зенковку, а другое - снабжено вертикальной канавкой, в которую входит стопорный винт 27, удерживающий гильзу от проворачивания. При этом отверстие для прохода топлива остается открытым. Нижним буртом гильза плотно притерта к кольцевой выточке корпуса.

Плунжер 11 состоит из цилиндрической головки и фасонного хвостовика, выполненных как одно целое. На поверхности головки в верхней части имеется кольцевая выточка 13, соединенная вертикальным пазом 12 с надплунжерным пространством 9. Нижняя кромка 15 выточки выполнена круглой, а верхняя -14 - фигурной по винтовой линии. На некотором расстоянии от торца головки плунжера она пересекается с кромкой вертикального паза 12. Винтовая кромка служит для отсечки и регулирования количества топлива, подаваемого плунжером. На хвостовике плунжера имеются два выступа и головка. Выступы входят в вертикальные пазы хвостовика шестерни 25, находящейся в зацеплении с регулирующей зубчатой рейкой 17, а головка опирается на донышко направляющего стакана 19, подпираемого снизу сферической поверхностью регулировочного болта 28 толкателя (см. рис. 29). На головку надета тарелка 20 (см. рис. 30, а) пружины 18, возвращающей плунжер в нижнее положение.

Клапанная пара установлена на верхний торец гильзы плунжера. Для обеспечения плотности седло клапанной пары притерто к торцу гильзы и прижато к ней нажимным штуцером 1. Плотность с корпусом секции обеспечивается резиновым кольцом 7. В центре седла 6 имеется отверстие, служащее гнездом для нагнетательного клапана 5.

Клапан 5 (рис. 30, б) выполнен полым. В нижней части он имеет игольчатый посадочный конус, в средней-боковое отверстие Е, а в верхней- кольцевой буртик П.

Буртик П разобщает нагнетательный трубопровод от надплунжерного пространства раньше, чем это выполнит игольчатый конус, а отверстие Е перепускает топливо из нагнетательного трубопровода в надплунжерное пространство 9 после разобщения их буртиком П.

Клапан прижимается к посадочному конусу седла пружиной 3, которая другим своим концом упирается в упор 4, служащий для ограничения подъема нагнетательного клапана.

БИЛЕТ № 10

1. Назначение и устройство водяной системы дизеля 1-ПД4Д.

Установленный на тепловозах ди­зель имеет водяное охлаждение, необ­ходимость которого обусловлена вы­соким нагревом отдельных его частей, соприкасающихся с горячими газами. Уже в конце такта сжатия температу­ра воздуха в цилиндрах повышается до 500 - 700 °С, а при сгорании топ­лива она достигает 2000 °С. Даже от­работавшие газы на выхлопе имеют температуру 430 - 480 °С. Такой вы­сокий нагрев деталей мог бы вызвать значительную их деформацию, разру­шение, пригорание масла и, как след­ствие, заклинивание поршней в ци­линдрах.

Сильный нагрев деталей дизеля требует интенсивного охлаждения их водой, температура которой должна быть достаточно высокой во избежа­ние появления трещин в блоке, цилин­дровых втулках, крышках цилиндров и корпусе турбонагнетателя. Нагре­тая вода охлаждается в секциях ради­атора, а часть тепла, отводимого от дизеля водой, используется для вспо­могательных целей (подогрева топли­ва в баке и воздуха в кабине машини­ста в холодное время года).

На тепловозах вода используется также для охлаждения дизельного масла в водомасляном теплообменнике и надду­вочного воздуха перед поступлением его в цилиндры дизеля. Так как ох­лаждение масла и наддувочного воз­духа должно осуществляться водой с более низкой температурой по сравне­нию с водой, охлаждающей дизель, то водяная система имеет два самостоя­тельных контура циркуляции воды. Температура воды в основном контуре поддерживается в пределах 70 - 85 °С, а во вспомогательном - 60 - 70 °С. Циркуляцию воды в каждом контуре осуществляет специальный насос, получающий привод от колен­чатого вала дизеля.

Для охлаждения воды основного контура используются шестнадцать, а вспомогательного - восемь водяных секций, установленных в шахте холо­дильника. Оба контура объединены расширительным баком, укреплен­ным над шахтой холодильника

Водяная система дизеля закрытого типа с принудительной циркуляцией воды имеет два само­стоятельных контура охлаждения (горячий контур, холодный контур), каждый из которых имеет свой трубо­провод, водяной насос, секции холо­дильника и общий вентилятор охлаж­дения.

Система предназначена для отво­да тепла, выделяющегося при работе дизеля, для обогрева кабины ма­шиниста и осуществления прогрева дизеля перед запуском от посторон­него источника тепла.

Горячий (основной) контур пред­назначен для охлаждения выхлопных коллекторов, корпуса турбокомпрес­сора, втулок и крышек цилиндров дизеля. В холодное время года вода горячего контура используется для подогрева топлива в топливоподогревателе, обогрева кабины машиниста.

Водяным насосом 46, левым по хо­ду тепловоза, вода нагнетается в ох­лаждающие полости дизеля 42 и турбокомпрессор. Нагретая вода от­водится от дизеля в секции 53 хо­лодильника тепловоза и далее во вса­сывающую

полость водяного насоса 46. В холодное время часть воды из водяной полости левого выхлоп­ного коллектора дизеля отводится на обогрев в топливоподогреватель 29, калорифер 32, обогреватели пола ка­бины машиниста 34 и 65.

Холодный контур предназначен для отвода тепла от охладителя наддувочного воздуха и охладителей масла дизеля.

Водяным насосом 63, правым по ходу тепловоза, вода нагнетается в маслоохладитель 22 дизеля, секции 3 холодильника. Охлажденная вода далее прокачивается через масло­охладитель 59, холодильник надду­вочного воздуха 64 и поступает во всасывающий патрубок водяного на­соса 63.

Контроль температуры воды дизе­ля осуществляется дистанционным термометром 51, измеритель которого установлен в горячем контуре на выходе воды из дизеля, а указа­тель - на пульте кабины машиниста. На трубопроводе выхода воды из ди­зеля (горячий контур) и входа воды в маслоохладитель (холодный контур) установлены датчики реле температуры 58 и 60, которые подают сигнал на открытие жалюзи холодильника и на снятие нагрузки с дизеля (при превышении ‘максимально допусти­мой температуры воды).

Терморегуляторы 66 (в горячем и холодном контурах) автоматически

управляют частотой вращения венти­лятора холодильника, поддерживая температуру воды в оптимальных пределах.

Для контроля температуры воды в холодном контуре перед входом в маслоохладитель установлен изме­ритель дистанционного термометра 4, а указатель - на пульте в кабине машиниста.

Для периодических замеров тем­пературы воды в горячем и холод­ном контурах установлены грибки под ртутные термометры. Для перио­дических замеров давления воды в системе установлены грибки под ма­нометры и грибки под мановакуумметры.

Отвод пара и воздуха осуществ­ляется с помощью паровоздушных трубок в расширительный бак 12, который соединен подпиточными тру­бами с всасывающими патрубками водяных насосов 46 и 63.

Водомерное стекло 13 предназна­чено для контроля уровня воды в расширительном баке. На боковой поверхности бака нанесены две черты с надписями В.У.- верхний уровень воды и Н.У.- нижний уровень во­ды. Уровень воды в баке должен находиться между этими отметками. Заливная горловина 9, расположен­ная в верхней части бака, закры­вается крышкой, в которой вмонти­рован паровоздушный клапан 8. Для сообщения бака с атмосферой при заправке снизу тепловоза или пе­ред снятием крышки с паровоздуш­ным клапаном 8 имеется вестовая труба с краном 6.

Положение вентилей, краников и соединительных головок при работе дизеля, включении обогрева, прогре­ве топлива, прогреве дизеля от внеш­него источника, при заполнении сис­темы водой и сливе воды из сис­темы указано в таблице на рисунке.

На подпиточных и паровоздуш­ных трубах установлены вентили 11, 18, 19 и краник 7 с целью отсоединения водяного бака от сис­темы при опрессовке водяных поло­стей дизеля.

2. Назначение и устройство форсунки дизеля 1-ПД4Д.

Форсунка дизеля (рис. 32, а) предназначена для распыливания и распределения топлива в камере сгорания. Основной частью форсунки является распылитель, состоящий из прецизионной пары - корпуса 21 и иглы 2. Распылитель прикреплен снизу корпуса 4 форсунки гайкой 19. Верхний торец корпуса распылителя и сопрягаемый с ним торец корпуса форсунки имеют притертые между собой поверхности, которые обеспечивают плотность стыка. Для впрыска топлива в камеру сгорания в нижней части корпуса распылителя выполнена сферическая головка (рис. 32, б) с девятью отверстиями диаметром 0,35 мм, расположенными по окружности.

К седлу корпуса распылителя притерт запорный конус иглы 2 (см. рис. 32, а), который отделяет полость 24 форсунки от камеры сгорания. На хвостовик иглы в верхней части опирается своей шаровой поверхностью штанга 17, передавая ей усилие от пружины 7. Затяжка пружины отрегулирована (при помощи болта 10) на давление впрыска топлива 275 кгс/см2. После регулировки затяжки пружины болт 10 закрепляют контргайкой II и пломбируют.

При работе дизеля топливо, нагнетаемое топливным насосом, подается по трубопроводу высокого давления в штуцер 15, а оттуда, пройдя щелевой фильтр 16, канал 18, кольцевую выточку 20, по трем наклонным отверстиям 22 поступает в полость 24. Так как выходное отверстие корпуса распылителя закрыто иглой 2, прижатой к седлу пружиной, то давление в полости 24 будет резко повышаться, воздействуя на большой конус 1 направляющей части иглы. Когда сила давления топлива, стремящаяся приподнять иглу вверх, превысит силу затяжки пружины 7, игла распылителя приподнимается. При этом топливо будет с большой скоростью впрыскиваться из полости 24 через распыливающие отверстия головки корпуса распылителя в камеру сгорания.

Вследствие высокого давления в полости 24 часть топлива просачивается между иглой и корпусом распылителя во внутреннюю полость форсунки, смазывая трущиеся поверхности.

Просочившееся топливо отводится через сверление 13 и штуцер 14 в сливную трубу. Впрыск топлива прерывается, как только прекращается подача топлива насосом.

Рис. 32. Форсунка дизеля (а) и ее распылитель (б):

Большой конус иглы; 2 - игла распылителя; 3 - крышка цилиндра; 4 - корпус форсунки; 5 - втулка форсунки; 6 - нижняя тарелка пружины; 7-пружина; « - верхняя тарелка пружины; 9 - пробка; 10 - регулирующий болт; 11- контргайка; 12 - пломба; 13 - сверление; 14 - топливоотводящий штуцер; 15 - топливоподводящий штуцер; 16 - щелевой фильтр; П - штанга; 18 - топливоподводящий канал корпуса форсунки; 19 - гайка распылителя; 20 - кольцевая выточка корпуса распылителя; 21 - корпус распылителя; 22 - наклонное отверстие корпуса распылителя; 23 - уплотиительное кольцо; 24 - полость форсунки; 1- распылитель до модернизации; 11- распылитель после модернизации

БИЛЕТ № 11

1. Назначение и устройство воздухоочистителя дизеля 1-ПД4Д.

Воздухоочиститель дизеля тепловоза (рис. 23) является масляным фильтром непрерывного действия. Его к. п. д. очистки постоянен на всех режимах работы тепловоза н составляет 98,5% при сопротивлении до 20 мм вод. ст. Воздухоочиститель позволяет получать технически чистый воздух (запыленностью не более 1 мг/м3) при общей запыленности 65 мг/м3. Фильтрующими элементами воздухоочистителя служат четыре сетчатые кассеты 21 (в виде секторов), которые размещены в колесе 20. В каждой кассете 16 сеток, из них шесть № 5 X 0,7, шесть - № 3,2 X 0,5 и четыре - № 7 X 1,2. Колесо 20 вместе с кассетами 21 установлено на неподвижной оси 24, закрепленной в стенках корпуса, нижняя часть которого представляет собой масляную ванну объемом 108 л. Вращение колеса осуществляется автоматически при помощи пневмоцилиндра 12, к которому подводится воздух от компрессора. Воздух поступает в пневмоцилиндр периодически по мере срабатывания регулятора давления 3РД. При срабатывании регулятора давления поступающий в пневмоцилиндр воздух воздействует на его шток и посредством тяги 13, рычагов 15, 14, тяги 27 и ползуна 16 перемещает собачку 18, входящую в зацепление с храповой лентой (зубьями) обода колеса 20.

Рис. 22. Воздухоочиститель дизеля тепловоза:

Всасывающий патрубок турбокомпрессора; 2, 4 - стяжные хомуты; 3 - соединительный рукав; 5 - каркас воздухоочистителя; 6, 9 - люки; 7 - сетчатые кассеты; 8 - жалюзи; 10 - алнвная труба; 11- зажимы крепления кассет

Частота вращения колеса воздухоочистителя зависит от частоты срабатывания регулятора давления ЗРД и примерно составляет 0,04 - 0,15 об/ч. Очистка кассет происходит в период прохождения ими масляной ванны. Задержанная пыль выпадает в осадок на дно ванны. Пылеемкость воздухоочистителя составляет примерно 50 кг и определяется в основном емкостью масляной ванны от днища корпуса до обода колеса 20. Для спуска масла предусмотрен кран со шлангом 7, а для удаления грязи - люки 26.

В верхней части корпуса воздухоочистителя имеются люки 1, 5 и 17, которые служат для забора воздуха из машинного помещения в зимнее время, при этом жалюзи 22 полностью или частично закрываются.