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. 16.2) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 16.2). 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 (l,5–2) 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 .

Рис. 16.2. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта

Для того чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе , необходимо . С другой стороны, для лучшей защиты значение IПОГР. должно быть возможно 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.

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. Температура медной вставки при токе, близком к номинальному, должна быть значительно ниже тепмературы 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. 16.2). [2]

16.3 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

(1)

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

(2)

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 таблицах. 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. 16.3). Дуга образуется через время после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значе­ния

Рис. 16.3. Работа предохранителя с токоограничением

Средства дугогашения позволяют погасить дугу за мил­лисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. 16.3. 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. [2]