6-2. ПЛАВКИЕ ВСТАВКИ
Ниже рассмотрено влияние материала и конструкции плавкой вставки на основные характеристики предохранителей, к которым относятся: номинальный режим, защитная характеристика, разрывная способность, перенапряжения при отключении. Расчет плавких вставок приведен в гл. 7.
а) Материал плавкой вставки
Плавкие вставки изготовляются обычно из меди и цинка, реже — из свинца вследствие относительной дешевизны и коррозионной стойкости этих материалов. В ответственных случаях, для того чтобы иметь полную гарантию от ложных срабатываний из-за окисления вставки, иногда применяют серебро.
Если требуется получить большую выдержку времени при перегрузках, то применяют цинк и свинец. Вставки из меди и серебра дают меньшую выдержку времени.
Гашение дуги тем легче, чем меньше объем испарившегося металла. При наличии наполнителя отношение объема плавящегося металла к единице поверхности, сквозь которую он уходит через поры наполнителя, должно быть возможно меньше. Объем вставки тем меньше, чем меньше удельное электрическое сопротивление материала. В предохранителях с мелкозернистым наполнителем применяют только материалы с малым удельным сопротивлением — медь или серебро. Свинец и цинк можно применять при очень крупных зернах наполнителя (§ 6-4). Цинк образует на поверхности очень прочные пленки окисла, внутри которых может находится жидкий цинк. Вследствие этого ток может не прерваться после плавления и величина пограничного тока будет неопределённой. Это явление может иметь место и при вставках из других материалов. Оно чаще бывает в наполнителе, но может быть и на воздухе.
б) Плавкие вставки с металлургическим эффектом
При пограничном токе температура предохранителя с плавкими вставками из серебра и меди очень высока вследствие высокой, температуры плавления этих материалов. Номинальный ток приходится выбирать значительно меньшим пограничного, что приводит к плохой защите при перегрузках. Для ликвидации этого недостатка используют металлургический эффект J7L 6-2]— явление растворения более тугоплавких металлов в жидких, менее тугоплавких. По исследованиям А. М. Мелькумова [ Л. 6-1] медная проволока диаметром 0,25 мм с растворителем, представляющим собой напаянный на проволоку шарик из эвтектического оловянно- свинцового сплава с температурой плавления 182° С, перегорает при значительно более низких температурах, чем та же проволочка без растворителя (табл. 6-1).
Таблица 6-1 Время перегорания медной проволоки
Время перегорания, мин | Средняя температура проволоки, °С | |
Без растворителя | С растворителем | |
0 | 1083 | 1 083 |
4 | 1 040 | 650 |
10 | 500 | |
20 | _ | 440 |
40 | _ | 350 |
120 | 1000 | 280 |
При медной проволочке диаметром 0,25 мм наименьшее время плавления получается при диаметре шарика 1—2 мм. При меньшем диаметре не хватает материала для растворения, при большем шарик становится значительно холоднее вставки. Рекомендуется иметь шарик диаметром 1,5 мм при проволочках диаметром до 0,6 мм и диаметром 2 — 2,5 мм при проволоке диаметром 0,6 — 1 мм. Шарик надо наносить быстро, чтобы в процессе нанесения не растворялся материал вставки. Так как температура вдоль оси вставки разная, место напайки должно быть определенным. Меняя местоположение шарика, можно менять пограничный ток.
Обычно для создания металлургического эффекта на медных и серебряных вставках применяют не оловянно-свинцовый сплав, а чистое олово, во-первых, потому, что у него более определенные свойства, а, во-вторых, потому, что температура его плавления выше. Не следует в качестве растворителя применять материал с очень низкой температурой плавления, так как в этом случае для проведения номинального тока придется чрезмерно увеличивать сечение вставки, что ухудшает условия гашения дуги.
В случае применения растворителя для проволочных вставок, которые находятся на воздухе, для предотвращения отпадания растворителя после плавления рекомендуется сделать на вставке петлю и залить ее расплавленным растворителем.
Аналогичный эффект достигается при применении йодистого серебра, которое при температуре 200—500°С вступает в реакцию с серебряной вставкой и в месте контакта превращается в непроводник [ Л. 6-23].
Иногда для снижения температуры при пограничном токе применяют вставки из медных или серебряных полос, соединенных мостиком из легкоплавкого материала. Вставки эти трудоемки в изготовлении; в СССР они не применяются. Так как сечение мостика получается значительным, возможно длительное протекание тока по расплавленному металлу, окруженному наполнителем. Для мостиков применяется сплав равного количества олова и кадмия, который благодаря низкой температуре кипения обеспечивает отключение при температуре не больше 650° С.
в) Конструкция плавких вставок
Для уменьшения объема расплавленного металла и увеличения быстродействия при коротких замыканиях вставки делают с несколькими параллельными ветвями. При данном пограничном токе это уменьшает не только объем металла отдельной ветви, но и общий объем металла всей вставки. Первое особенно важно для гашения дуги в насыпных предохранителях. У насыпных предохранителей более одной ветви делают при номинальных токах выше 5 — 30 а. Предел деления на параллельные ветви определяется трудоемкостью изготовления.
В плавких вставках обычно делают два или более узких коротких перешейка. Это уменьшает время отключения токов короткого замыкания, увеличивает токо- ограничивающее действие и разрывную способность, причем время отключения токов перегрузки может существенно не уменьшится, так как при больших временах срабатывания температуры узкого перешейка и соседней широкой части могут в значительной степени уравняться. Это весьма желательно, так как обычные (небыстродействующие) предохранители, как правило, имеют слишком малую выдержку времени при перегрузках.
Введение перешейков снижает перенапряжение, так как полная длина дугового промежутка будет вводиться не сразу, а ступенями. Кроме того, введение узких перешейков снижает нагрев патрона, если между участками большого и малого сечений тепловая связь плохая, что имеет место в патронах с наполнителем, у которых вставки тонкие и теплоотдача наполнителю велика, вследствие чего высокая температура при пограничном токе будет только вблизи мест малого сечения. При относительно более толстых вставках, расположенных в воздухе, тепло интенсивно распространяется вдоль вставки и сужение перешейков существенно не снижает общей температуры патрона.
Плавкие вставки делаются из проволок и листового материала. Первые сложнее изготовлять на заводе, так как требуется отдельные проволоки приваривать или припаивать к наконечнику. Затруднительно также делать проволочные вставки с узкими перешейками. Однако проволочные, вставки легче изготовлять в эксплуатационных условиях. Вставки же из листового материала любой формы легко изготовляются путем штамповки. Они выгоднее с точки зрения гашения дуги. Поэтому эти вставки применяются, где это возможно по конструктивным соображениям, и только при малых токах применяются проволочные.
Важно иметь надежное крепление вставки. Цинк и в особенности свинец текут при большом давлении. Это может привести к ослаблению нажатия в контактном соединении и перегоранию плавкой вставки при токах меньше пограничного. При цинковых вставках для предотвращения этого достаточно применять стальную шайбу увеличенного диаметра с ровной поверхностью (точеную) и пружинную шайбу. Свинцовые вставки рекомендуется припаивать к наконечникам из более твердого материала. Иногда [ Л. 6-3] для укрепления проволок из мягкого материала применяют спиральную коническую пружинную шайбу из листовой фосфорной бронзы.
г) Процесс плавления вставки и образования дуги
При малых плотностях тока вставка начинает плавиться изнутри, так как там температура выше. Она плавится в одном, наиболее нагретом сечении. Здесь, как и в выключателях, дуга образуется в сильно разогретом пространстве, где испарился мостик жидкого металла. По мере сгорания вставки длина дуги постепенно увеличивается. При больших плотностях тока все сечения с одинаковой плотностью тока имеют одинаковую температуру. Вставка на протяжении всех участков одинакового сечения начинает плавиться снаружи, так как температуры внутренних и наружных слоев почти одинаковы, а благодаря сжатию проводника под влиянием электродинамических сил температура плавления внутри выше, чем снаружи. После расплавления наружных слоев под влиянием сжатия жидкого металла образуются узкие перешейки, соединяющие капли металла. Это ускоряет разрыв цепи как вследствие ускоренного нагрева перешейков, так и вследствие появления разрывающего усилия в местах сужения линий тока [Л. 6-6]. Распадание медной и серебряной вставок на ряд расплавленных шариков по всей длине участка постоянного сечения происходит при плотностях тока, больших 1 000 а/мм2 [Л. 6-3]. Появляются одна за другой короткие дуги; при этом добавление каждой новой дуги увеличивает напряжение на дуговом промежутке ступенями на 20—25 в. В результате в процессе образования дуги на всей длине выплавившегося участка появляется перенапряжение (§ 6-6).
Не исключена возможность появления перенапряжения и в процессе образования дуги, когда испарившийся металл образует непроводящий промежуток, для пробоя которого требуется значительное напряжение.
Плавкая вставка может быть разорвана электродинамическими силами и до начала плавления.
Вставки непостоянного сечения имеют повышенную плотность тока у краев в местах изгиба линий тока и начинают плавиться с этих мест. Из-за неодинаковой плотности тока по всему сечению расчет времени плавления в адиабатическом режиме по средней плотности тока перешейка дает завышенные результаты.
