Нагрев плавной вставки при длительной нагрузки

Предохранители и автоматические выключатели

Предохранители – это электроаппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от аварийных токовых перегрузок и токов к.з. в силовых цепях и цепях сигнализации, управления и защиты.

Основными элементами предохранителя является 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 к.з. должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов.

3. При к.з. в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность защиты.

4. Характеристики предохранителя должны быть стабильными, а технический 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.

При значительных перегрузках (250-300 %) предохранители сгорают почти мгновенно, меньшие перегрузки они выдерживают некоторое время. Так двухкратная перегрузка вызывает сгорание лишь через несколько десятков секунд, а перегрузка 25-30 % практически не вызывает сгорания предохранителя в течение 1 часа.

Нагрев плавной вставки при длительной нагрузки

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляет собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока.

Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (1) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (2). Однако реальная характеристика предохранителя (3) пересекает кривую 2. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или 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) I _ном 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 его установившейся температуры, называется пограничным током I _погр.

Для того, чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе I _ном, необходимо I _погр > I _ном. С другой стороны, для лучшей защиты значение I _погр 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 (около 1 часа) 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 (медь, серебро, цинк, свинец).

Наименьшую t _{плавления} имеет свинец 327⁰С. Но удельное сопротивление свинца в 12 раз выше, чем у меди. Это значит, что сечение вставки из свинца должно быть значительно больше, чем при использовании меди.

Широкое распространение получили медные и серебряные плавкие вставки с металлургическим эффектом.

На тонкую медную проволоку диаметром менее 0,001 м наносится шарик из олова. При нагреве вставки сначала плавится олово, имеющее низкую температуру плавления (232⁰С). 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 280⁰С.

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.

Поэтому приходится завышать сечение вставки и тем самым увеличивать отношение примерно до 1,8, что ухудшает защитные свойства предохранителя.

Серебряные плавки 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. Al имеет температуру плавления ниже, чем у меди (658 против 1083⁰С).

Медная вставка из-за высокой теплопроводности, высокой температуры плавления и большого отношения в области малых перегрузок не обеспечивает защиту объекта.