Цилиндрический предохранитель, часто называемый цилиндрическим патронным предохранителем, является одним из наиболее широко используемых устройств защиты от перегрузки по току в промышленных системах низкого-напряжения. Его цилиндрическая форма — не просто условность; он обеспечивает однородное поперечное-сечение, что позволяет подвешивать плавкий предохранитель вдоль центральной оси, окруженный сплошным слоем дугогасительной-среды. Эта симметрия гарантирует, что, когда элемент испаряется во время неисправности, дуга формируется вдоль центральной линии, а волна давления расширяется в радиальном направлении предсказуемым образом. Такая предсказуемость означает, что керамический корпус испытывает равномерную нагрузку, что снижает вероятность разрыва по сравнению с прямоугольными или плоскими конструкциями, где напряжение концентрируется в углах.
Сегодня цилиндрические предохранители в основном используются в промышленном энергораспределении, особенно в центрах управления двигателями и фидерных цепях, где токи повреждения могут достигать значительных уровней. Типичный цилиндрический предохранитель на 125 А с номиналом 400 В переменного тока, например Bussmann C22M125, предназначенный для защиты двигателя, соответствует стандарту IEC 60269-2 и рассчитан на отключающую способность 120 кА. Такая отключающая способность означает, что предохранитель может безопасно отключить ток повреждения в 120 000 ампер, не разбивая и не выбрасывая расплавленный материал. Цилиндрические предохранители категории применения gG используются для защиты кабелей, двигателей и сетей низкого-напряжения, ограничивая и отсекая недопустимые сверхтоки и токи короткого-замыкания до номинальной отключающей способности. В одном из центров управления электродвигателями замена предохранителей с открытыми-ножевыми-лезвиями на герметичные цилиндрические предохранители устранила искрение в корпусе панели во время неисправностей высокого уровня, поскольку полностью закрытые керамические корпуса полностью удерживали дугу.
Предохранители цилиндров также играют особую роль в защите конденсаторной батареи для коррекции коэффициента мощности. Конденсаторы потребляют большой пусковой ток при включении, часто в 20–30 раз превышающий номинальный ток, в течение нескольких миллисекунд. Стандартный предохранитель может интерпретировать этот бросок как неисправность и преждевременно размыкаться. Напряжение во время подачи питания на аккумулятор может привести к старению или перегоранию предохранителей, что рассматривается в стандарте IEC 60549. Цилиндрические предохранители, предназначенные для защиты конденсаторов, должны быть рассчитаны на выдерживание как постоянного тока, так и переходных бросков тока. Общее правило заключается в снижении номинального тока на 30–40 процентов для учета гармоник, в результате чего к емкостному току применяется коэффициент 1,7 для определения соответствующего номинала предохранителя. Для одиночной конденсаторной батареи напряжением 10 кВ с номинальным током 35 А и предполагаемым током короткого-замыкания 40 кА тепловые критерии требуют предохранителя на 63 А, но сравнение с время-токовыми характеристиками показывает, что необходимо выбрать номинал 125 А, чтобы выдержать пусковой переходный процесс 1670 А с постоянной времени 33,5 мс. На практике нормой является номинал предохранителей конденсаторов, равный 135 процентам номинального тока конденсаторов.
Еще одним важным применением являются тяговые системы постоянного тока, такие как железнодорожная сигнализация и вспомогательные источники питания. Цилиндрические предохранители часто являются предпочтительными, поскольку их корпуса могут быть герметично закрыты, что предотвращает загрязнение проводящей пылью или влагой в туннельных условиях. Например, тяговые предохранители серии Bussmann специально разработаны для удовлетворения потребностей подвижного состава и железнодорожной инфраструктуры и подходят для защиты вспомогательной энергии, распределения, преобразователей, основного электропитания, контрольно-измерительных приборов, управления, освещения и кондиционирования воздуха. Быстродействующий-цилиндрический предохранитель на напряжение 1000 В постоянного тока с отключающей способностью 50 кА обеспечивает точную защиту постоянного тока для железнодорожных силовых и вспомогательных цепей, а низкие значения I²t позволяют уменьшить повреждение защищаемых компонентов при коротких замыканиях. Проблема в цепях постоянного тока заключается в том, что нет естественного перехода тока через ноль, поэтому предохранитель должен генерировать напряжение дуги, превышающее напряжение источника. Цилиндрические предохранители с керамическими трубками,-наполненными песком, могут создавать напряжение дуги, значительно превышающее напряжение системы, поскольку частицы песка создают множество крошечных дуговых каналов.
Физические размеры цилиндрического предохранителя напрямую зависят от его номинального напряжения и применения. Обычные промышленные размеры включают 8x31 мм, 10x38 мм, 14x51 мм и 22x58 мм. Цилиндрический предохранитель на 250 В переменного тока может иметь длину 38 мм, а версия на 690 В с тем же номинальным током часто имеет длину 58 или 70 мм. Эта дополнительная длина обеспечивает большую площадь поверхности для растяжения и охлаждения дуги. Цилиндрические предохранители категории применения aM, рассчитанные на защиту двигателя, рассчитаны на выдерживание высоких временных пусковых токов во время пуска. Предохранитель АМ размером 14x51 мм, рассчитанный на напряжение 500 В переменного тока и отключающую способность 100 кА, обычно используется для защиты цепей двигателя от короткого-замыкания, отсекая токи, превышающие номинальный ток в 6,3 раза, вплоть до максимальной отключающей способности. Потери мощности при номинальном токе для такого предохранителя составляют около 5 Вт, и этот фактор необходимо учитывать при тепловом расчете панели.
Выбор предохранителя цилиндра также предполагает снижение номинальных характеристик при температуре окружающей среды, а цилиндрический корпус имеет известное соотношение площади поверхности-к-объему, что позволяет стандартизировать расчеты рассеяния тепла. Производители обычно публикуют кривые снижения номинальных характеристик: при температуре окружающей среды 60 градусов номинал предохранителя должен быть снижен до 90 процентов от его номинального тока; при 80 градусах - до 80 процентов. В шкафу солнечного инвертора, где внутренняя температура достигает 75 градусов в жаркий день, предохранитель на 200 А эффективно будет непрерывно выдерживать только 170 А. Ограничение физического размера является практическим ограничением; Баллонный предохранитель на 400 А заметно длиннее и толще предохранителя на 200 А, а панели должны иметь необходимый зазор.
Цилиндрический предохранитель занимает особое место между миниатюрными патронными предохранителями и большими ножевыми-лезвийными предохранителями NH. Предохранители NH обычно используются для распределения электроэнергии и для защиты крупных электрических устройств с номинальным током до 1250 А. Цилиндрические предохранители, напротив, обычно используются для применений с низким и средним током в распределительных щитах, панелях управления автоматизированными машинами и солнечных фотоэлектрических системах. Их компактный форм-фактор и простота интеграции в модульные панели делают их практичным выбором там, где пространство ограничено, но токи повреждения остаются высокими.
Практика технического обслуживания предохранителей цилиндров проста, но ею часто пренебрегают. Большинство предохранителей промышленных цилиндров изготовлены из керамики и непрозрачны и имеют ударный штифт или индикаторное окошко, которое выдвигается при срабатывании предохранителя. Этот ударник может активировать микропереключатель для подачи дистанционного сигнала тревоги. Цилиндрические держатели предохранителей размером 10x38 мм и 14x51 мм прошли испытания и одобрены в качестве разъединителей с предохранителями, а держатели размером 22x58 мм одобрены в качестве разъединителей с предохранителями согласно IEC 60947-3. Интеграция этих индикаторов в систему управления может сократить время устранения неполадок с часов до минут, поскольку операторам больше не нужно проверять каждую панель вручную.
Цилиндрический предохранитель не является универсальным решением. Он не превосходит ни в сверх-быстрой защите полупроводников, где квадратные-высокоскоростные-предохранители могут иметь меньшую индуктивность, ни в удобстве автомобильных плоских предохранителей-, где возможность подключения является ключевым моментом. Он занимает промежуточное положение: надежная, высокая-емкость и ремонтопригодная защита для стационарных установок. В условиях ограниченного пространства, высоких токов повреждения и суровой атмосферы герметичная керамическая трубка обеспечивает уровень предсказуемости, с которым другие форм-факторы с трудом могут сравниться. В технических характеристиках приведены кривые, но настоящая уверенность приходит, когда вы наблюдаете за тем, как предохранитель цилиндра срабатывает почти-замыкающим образом без видимых повреждений, а затем видите, что он полностью размыкается, когда неисправность наконец пересекает пороговое значение. Эта чистая, сдержанная операция является ее определяющей характеристикой.