Предохранители

Общие сведения. Предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых пе­регрузок и токов к.з. Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая последовательно с защищаемой цепью, и дугогасительное устройство.

К предохранителям предъявляются следующие требования:

1) Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.

2) Время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны рабо­тать с токоограничением.

3) При КЗ в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность защиты.

4) Характеристики предохранителя должны быть ста­бильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.

5) В связи с возросшей мощностью установок предохра­нители должны иметь высокую отключающую способность.

6) Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.

Нагрев плавкой вставки при длительной нагрузке. Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зави­симость времени плавления вставки от протекающего тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на     рис. 6.7) во всех точках шла немного ниже характеристики защищае­мой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 6.7). 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 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…2,0) нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отда­ется окружающей среде. Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавкой вставки.

Ток, при котором плавкая встав­ка сгорает при достижении ею уста­новившейся температуры, называет­ся пограничным     током .

Для того чтобы предохранитель не срабатывал при номи­нальном токе, необходимо>. С другой сто­роны, для лучшей защиты значение должно быть воз­мож-но ближе к номинальному. При токах, близких к погра­ничному, температура плавкой вставки должна прибли­жаться к температуре плавления.

В связи с тем, что время плавления вставки при погра­ничном токе велико (более 1 ч) и температура плавления ее материала составляет много сотен градусов Цельсия, все детали предохранителя нагреваются до высоких темпе­ратур. Происходит тепловое старение плавкой вставки.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и спла­вы (табл. 6.1.)

Таблица 6.1

Свойства материалов, используемых в качестве плавкой вставки предохранителей

Металл   вставки	Удельное сопротив­ление ,мкОм • м	Температура, °С
Медь	0,0153	250	1083	80000	11 600	91 600
Серебро	0,0147	—	961	62000	8000	70 000
Цинк	0,0800	200	419	9000	3000	12 000
Свинец	0,2100	150	327	1200	400	1600
Примечание. – допустимая температура плавкой вставки при дли­тельном  про-текании тока; – температура плавления вставки; и – ко­эффициенты, определяющие время плавления при КЗ. Время нагрева плавкой вставки от начальной температуры до полного ее разрушения определяется суммой коэффициентов А’+А”.

Наименьшую температуру плавления имеет свинец. Но удельное сопротивление свинца в 12 раз выше, чем у меди. Для того чтобы при прохождении данного тока вставка на­грелась до допустимой температуры (150 °С), ее сечение должно быть значительно больше, чем сечение вставки из меди.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Из-за большого объема вставки количество паров металла в дуге велико, что затрудняет ее гашение и уменьшает предель­ный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих осо­бенностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение получили медные и серебряные плавкие встав­ки с металлургическим эффектом, который объясняется ниже. На тонкую медную проволоку (диаметром менее 0,001 м) наносится шарик из олова. При нагреве вставки сначала плавится олово, имеющее низкую температуру плавления (232 °С). В месте контакта олова с проволокой начинается растворение меди и уменьшение ее сечения. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока медная про­волока не расплавится в точке расположения оловянного шарика.

Возникшая при этом дуга расплавляет прово­локу на всей длине. Применение оловянного шарика снижает среднюю температуру плавления вставки до 280 °С.

Отношение/ уменьшается до 1,2, что дает улуч­шение времятоковой    характеристики.

Стабильность времятоковой характеристики в значи­тельной степени зависит от окисления плавкой вставки. Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, кото­рая предохраняет вставку от изменения сечения. Медная вставка при длительной работе и высокой температуре ин­тенсивно окисляется. Пленка оксида при изменении темпе­ратурного режима отслаивается, и сечение вставки постепен­но уменьшается. В результате плавкая вставка перегорает при номинальном токе, если ее температура при токе, близ­ком к пограничному, выбрана высокой. В табл. 6.1 приве­дены рекомендуемые допустимые температуры вста­вок при номинальном токе. Температура медной вставки при токе, близком к номинальному, должна быть значитель­но ниже температуры плавления. Поэтому приходится за­вышать сечение вставки и тем самым увеличивать отноше­ние /примерно до 1,8, что ухудшает защитные свойства предохранителя.

Серебряные плавкие вставки не подвержены тепловому старению, и ‘для них отношение  / определяется только нагревом.

У вставок из легкоплавких материалов эксплуатацион­ная температура ближе к температуре плавления, что поз­воляет снизить отношение / до 1,2…1,4.

В настоящее время в качестве материала плавкой встав­ки начали применять алюминий. Пленка оксида на поверхности вставки защищает алюминий от коррозии и     де­лает характеристику предохранителя стабильной. Большее удельное сопротивление материала компенсируется увеличением сечения вставки. Алюминий имеет температуру плавления ниже, чем у меди (658 против 1083 °С).

Времятоковые характеристики  предохранителей со вставками постоянного сечения из легкоплавкого металла хорошо согласуются с характеристиками силовых транс­форматоров и других подобных объектов. Это объясняется низкой температурой плавления, стойкостью против корро­зии и малой теплопроводностью материала таких    вставок.

Медная вставка из-за высокой теплопроводности, высо­кой температуры плавления и большого отношения  / в области малых перегрузок не обеспечивает защиту объ­екта (область А, рис. 6.7).

Нагрев плавкой вставки при КЗ. Если ток, проходящий через вставку, в 3… 4 раза боль­ше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т. е. все тепло, выделяемое плавкой встав­кой, идет на ее нагрев. Время нагрева вставки до температуры плавления

,                                                  (6.11)

где – постоянная, определяемая только свойствами мате­риала и от размера вставкине зависящая; – поперечное сечение вставки; —  ток, протекающий по вставке при КЗ  защищаемой цепи; —  плотность тока во вставке.

После того как температура плавкой вставки достигла температуры плавления, для перехода вставки из твердого состояния в жидкое ей необходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

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; – плотность материа­ла вставки; —  скрытая теплота плавления на единицу массы материала вставки.

Значения постоянных и для наиболее часто приме­няемых металлов приведены  в табл. 6.1. В действительности процесс плавления идет более сложно. Как только появит­ся жидкий участок вставки, электродинамические силы, сжимающие проводник, образуют суженные уча­стки. В этих участках возрастает плотность тока и повыша­ется температура. Уменьшение сечения вставки создает раз­рывающие усилия, аналогичные силам в контактах при КЗ. Таким образом, как правило, дуга загорается рань­ше, чем вставка полностью перейдет в жидкое состояние.

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

Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева пе­решейка протекает так быстро, что тепло почти не успе­вает отводиться 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 к.з. установившегося или даже амплитудного значе­ния (рис. 6.8). Дуга образуется через время после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значе­ния.

Средства дугогашения позволяют погасить дугу за мил­лисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. 6.8. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, так как отключается не установившийся ток к.з., а ток, опреде­ляемый временем плавления вставки.

С ростом номинального тока возрастает, естественно, и минимальное сечение вставки.

Увеличение этого сечения приводит к возрастанию длительности плавления вставки и уменьшению эффекта токоограничения. Интенсивный от­вод тепла от вставки при номинальном режиме позволяет выбрать уменьшенное сечение вставки и повысить эффект токоограничения.