§ 6.2. ПРЕДОХРАНИТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 в
Плавкий предохранитель — это коммутационный аппарат однократного действия, который при токе больше заданной величины размыкает электрическую цепь путем расплавления плавкой вставки, нагреваемой током. Он служит для защиты участка цепи или электрических установок от разрушающего действия токов короткого замыкания или от длительных перегрузок. Всякий предохранитель состоит из корпуса — основания 2 и плавкой вставки 1 (рис. 6.4). Плавкая вставка осуществляет защиту цепей путем перегорания под действием аварийного тока. Будучи включена в цепь последовательно с нагрузкой, плавкая вставка является самым слабым в тепловом отношении участком в этой цепи. Если по цепи потечет аварийный ток, то плавкая вставка перегорит ранее других частей цепи и прекратит протекание тока. В этом ее защитное действие. Плавкие вставки изготовляются из свинца, сплавов свинца и олова, цинка, меди, серебра и т. д.
Рис. 6.4
Физические процессы при срабатывании предохранителя
При срабатывании предохранителя можно наблюдать такие физические процессы: нагревание плавкой вставки до температуры плавления, плавление и испарение плавкой вставки, пробой промежутка и возникновение дуги, гашение дуги, возникающей в предохранителе.
Нагревание плавкой вставки до температуры плавления.
В установившемся режиме количество тепла, которое выделяется в плавкой вставке, полностью отдается в окружающую среду. Наибольший ток, отвечающий такому режиму, называется минимальным плавящим током плавкой вставки. Если плавкая вставка обтекается минимальным плавящим током, то теоретически она может работать бесконечно длительное время. Если ток плавкой вставки становится больше минимального плавящего тока, то время перегорания ее зависит от тока. Зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока приведена на рис. 6.5. Кривая на рис. 6.5 называется токовременной характеристикой плавкой вставки предохранителя и представляет собой зависимость /=φ(/).
(6.1)
где /мин — минимальный плавящий ток плавкой вставки, а\
/и — номинальный ток плавкой вставки, а.
Режим работы предохранителя при токах, близких 1шпи является наиболее тяжелым для предохранителя в целом. Объясняется это тем, что в этом режиме плавкая вставка не плавится, но имеет высокую температуру. Например, медная плавкая вставка (температура плавления меди 1080°) в режиме минимального плавящего тока может иметь температуру порядка 800—900° С и не перегорать. При такой температуре плавкой вставки будут нагреваться корпус предохранителя, контакты и они могут разрушиться. Можно взять металл для плавкой вставки с более низкой температурой плавления (например, свинец — 330°С), но тогда надо увеличить сечение ее, а значит, увеличивать массу металла, что затруднит гашение дуги.
Рис. 6.5 Рис. 6.6
Это противоречие удачно разрешено с помощью нанесения на плавкую вставку из медной проволоки металлического растворителя в виде шарика из олова диаметром 1-^2 мм (рис. 6.6). При нагревании плавкой вставки в том месте, где расположен шарик, имеет место металлургический эффект, и медная плавкая вставка перегорит при температуре не 1080, а 500° С или ниже, а корпус и контакты не будут перегреты и разрушены. Этого же достигают делая плавкие вставки переменного сечения и концентрации тепла на узких перешейках. Могут быть использованы и используются оба эффекта одновременно.
Плавление и испарение плавкой вставки.
После нагревания до температуры плавления плавкая вставка плавится и испаряется. Этот процесс протекает по-разному в зависимости от того, при каком токе он происходит. Если это ток перегрузки, то процесс плавления протекает неинтенсивно, плавкая вставка разрушается по участкам и относительно медленно. Металл плавкой вставки, если предохранитель с наполнителем, может оставлять металлизированные дорожки. Это затрудняет гашение дуги и может приводить к ложным представлениям о целости предохранителя, так как указатель напряжения (пробная лампа небольшой мощности) будет гореть, но плавкая вставка перегорела и предохранитель работать не может. При протекании по плавкой вставке тока короткого замыкания она плавится по всей длине одновременно. Плавление и испарение протекает в виде взрыва, металл разбрасывается во все стороны, а если есть наполнитель, то проникает внутрь его. В этом случае предохранитель срабатывает четко.
Пробой промежутка и возникновение дуги.
После испарения плавкой вставки проводимость промежутка становится близкой к нулю. Внезапный обрыв тока в цепи вызывает перенапряжение, которое пробивает промежуток и вызывает дугу. Величина перенапряжения зависит в первую очередь от длины плавкой вставки. Чем она больше, тем выше перенапряжение. Однако большие перенапряжения опасны для изоляции линий и установок, электрически связанных с предохранителем. Для ограничения перенапряжений, которые всегда имеют место после перегорания предохранителей, особенно если они перегорели от тока короткого замыкания, плавкие вставки делают по длине различного сечения, т. е. ступенчатыми. Такая форма плавкой вставки приводит к тому, что вначале перегорает участок меньшего сечения, происходит пробой этого промежутка, возникает дуга и она производит разрушение утолщенных частей. В этом случае перенапряжения будут меньше, так как процесс растягивается во времени.
Гашение дуги в предохранителе.
Возникшая дуга в предохранителе должна быть погашена в минимальное время. Процесс гашения дуги в предохранителе зависит от его конструкции.
