6-7. ЭНЕРГИЯ, ВЫДЕЛЕННАЯ ДУГОЙ В ПРЕДОХРАНИТЕЛЯХ С НАПОЛНИТЕЛЕМ
Предохранители чаще всего разрушаются вследствие:
разрыва патрона из-за чрезмерного давления;
Рис. 6-1. Зависимость пика напряжения от плотности тока в момент образования дуги при отключении ее насыпным предохранителем с медными вставками разного диаметра длиной 50 мм. Размер зерен кварцевого наполнителя 0,3 — 0,4 мм, напряжение цепи 240 в постоянного тока, индуктивность цепи 1,34 мгн.
появления трещин у толстостенного фарфорового, керамического или стеклянного патрона из-за быстрого увеличения температуры внутренней поверхности его и большого коэффициента линейного расширения;
3) затяжного горения дуги из-за чрезмерного нагрева наполнителя, в результате чего он не может больше аккумулировать тепло.
Все эти явления связаны с выделением в патроне чрезмерной энергии. Энергия, которую может поглотить наполнитель, ограничена. Она характеризуется температурой патрона. Поэтому при испытании патронов на разрывную способность надо измерять их температуру. По ее величине можно судить о том, насколько легко предохранитель справился с отключением тока короткого замыкания.
Если пренебречь потерями энергии во внешнем активном сопротивлении, то энергия, выделившаяся в патроне, равна:
(6-1)
где L — индуктивность цепи;
ic — ток в момент появления дуги; U — напряжение цепи; UL — напряжение на индуктивности; г — сопротивление дугового промежутка; t — время, отсчитываемое от момента появления дуги; £д — время горения дуги.
Первый член является электромагнитной энергией. При токах короткого замыкания в цепях с обычной индуктивностью он составляет главную часть общей энергии. Величина его легко определяется (§2-3 и гл. 7).
Второй член является энергией, подведенной сетью в процессе горения дуги. Его числитель, по данным Бакстера [Л. 6-3], при расчете можно считать постоянным и равным (1-И,5) U2. Главное количество энергии подводится после практически скачкообразного увеличения сопротивления дугового промежутка, которое происходит в течение нескольких десятых долей миллисекунды с момента образования дуги на всей длине выплавившегося участка.
Бакстер установил, что величина указанного выше скачка сопротивления при токах, равных в момент появления дуги нескольким сотням или тысяче ампер \ мало зависит от тока, индуктивности цепи и напряжения и сильно зависит от диаметра вставки. В кварцевом наполнителе с зернами размером 0,3 — 0,4 мм при длине вставки 50 мм она равна 1 Ом при диаметре вставки 0,75 мм, 1,5 Ом при диаметре 0,56 мм и 2,8 Ом при диаметре 0,38 мм. После первого скачкообразного уменьшения проводимость промежутка обычно дальше уменьшается прямолинейно в функции времени. Например, при отключении цепи напряжением 230 в постоянного тока с активным сопротивлением 0,46 Ом медной проволокой длиной 50 мм и диаметром 0,32 мм в трубке диаметром 12 мм, которая заполнена кварцевым песком с размерами зерен 0,15 — 0,25 мм, проводимость дугового промежутка через 0,3 мсек после появления дуги может быть выражена следующим уравнением:
(6-2)
причем
0.1 <L<10,
где г — сопротивление дугового промежутка, Ом;,
L — индуктивность, мгн;
1 — время, отсчитываемое через 0,3 мсек после образования дуги, мсек.
Второй член в уравнении (6-1), определенный с учетом уравнения (6-2) при UL=0,3 U, равен 21 L дж. В приведенном выше случае гс = 350 ч-500 а (вследствие токоограничения); этому току соответствует электромагнитная энергия (60ч-125) L дж, т. е. она составляет главную долю общей энергии независимо от индуктивности цепи (в указанных пределах).
При неизменной индуктивности или постоянной времени цепи уменьшение тока вызывает уменьшение энергии, выделенной дугой, главным образом за счет уменьшения электромагнитной энергии контура. При малых токах, близких к пограничным, электромагнитная энергия ничтожна, а энергия, подводимая от сети, ввиду большой длительности горения дуги значительно больше, чем при токах короткого замыкания, и тем больше, чем меньше ток.
1 Имеется в виду ток, идущий по каждой из параллельных проволочек.
В итоге общая энергия при снижении тока сначала уменьшается, а затем возрастает. При медной проволоке длиной 50 мм и диаметром 0,56 мм и наполнителе с зернами 0,3 — 0,4 мм при напряжении цепи 240 в и L=l,33 мгн минимальная энергия получается при 200 а, а в тех же условиях при неизменной постоянной цепи 0,005 сек минимальная энергия получается при токе 50 а [Л. 6-3].
Энергия, выделенная в патроне, сильно уменьшается при уменьшении сечения вставки. При малых токах это вызвано уменьшением времени достижения длины, необходимой для гашения, при больших токах — снижением тока в момент начала образования дуги из-за токоограничивающего действия и снижением проводимости промежутка.
Удлинение вставки снижает начальную проводимость и время достижения нулевой проводимости, следовательно снижает общую энергию. При больших токах она доходит до значения, близкого к величине электромагнитной энергии. В этом случае увеличение длины также благоприятно, так как оно уменьшает механическую и тепловую нагрузку на единицу длины трубки.
Размер зерен кварцевого наполнителя мало влияет на энергию, выделенную дугой при больших токах, так как там главную долю составляет электромагнитная энергия, и сильно влияет на энергию, выделенную при малых токах. Та:к, в цепи напряжением 240 в постоянного тока с активным сопротивлением 2,4 Ом, индуктивностью 7;2 мгн при серебряной вставке длиной 50 мм и диаметром 0,56 мм максимальная энергия 1 000— 2 000 дж была при зернах размером 0,25 — 0,5 мм, а при зернах 1—2 мм энергия была примерно в 5 раз меньше [Л. 6-3]. Это указывает на более эффективное гашение малоамперной дуги при более крупных зернах.
На рис. 6-2 показана зависимость давления в патроне от размеров зерен при постоянной величине выделяющейся энергии. Минимальное давление в данном случае было при зернах размером 0,5 мм. При отсутствии наполнителя давление было 35 ати.
Рис. 6-2. Зависимость избыточного давления от величины зерен кварцевого наполнителя при энергии дуги 1 000 дж. Диаметр трубки 12 мм, напряжение цепи 240 е постоянного тока, активное сопротивление 0,133 Ом, индуктивность 1,33 мгн, длина вставки 50 мм, диаметр вставки 0,56 мм.
Рис. 6-3. Зависимость избыточного давления от диаметра трубки при энергии дуги 600— 650 дж. Напряжение цепи 240 в постоянного тока, активное сопротивление 0,24 Ом, индуктивность 1,33 мгн, размер зерен кварцевого наполнителя 0,9 — 1,2 мм, диаметр медной вставки 0,56 мм, длина вставки 50 мм.
При данной выделенной энергии давление будет тем больше, чем больше мощность. Увеличение энергии дуги из-за увеличения диаметра вставки может сопровождаться и уменьшением давления из-за уменьшения мощности. В этом случае можно ожидать появления затяжной дуги. При постоянной энергии дуги давление сильно зависит от внутреннего объема трубки (рис. 6-3) [Л. 6-3].
Энергия, выделенная дугой при переменном токе в основном подчиняется тем же закономерностям, что и при постоянном токе. Но, кроме того, она сильно зависит от момента появления дуги. Существенное отличие состоит еще в том, что выделенная энергия может быть как больше, так и меньше электромагнитной энергии контура в момент появления дуги. При больших токах она близка к электромагнитной энергии, если гашение интенсивно, что имеет место при достаточно длинных вставках. При малых токах также есть тенденция к увеличению энергии, однако не столь заметная, как на постоянном токе. Как и в случае постоянного тока, при постоянном коэффициенте мощности имеется значение тока (в цепи без предохранителя), при котором энергия максимальна.
Для улучшения условий гашения иногда параллельно главной плавкой вставке ставят вспомогательную в виде проволоки высокого удельного сопротивления, плавящуюся после того, как расплавится главная плавкая вставка. Вспомогательная вставка не оказывает существенного влияния на перенапряжения и вообще на условия гашения дуги при больших токах и может существенно снизить энергию дуги при малых токах. Для этого сечение, длина и материал вспомогательной вставки должны быть выбраны так, чтобы ток в главной вставке прекратился до плавления вспомогательной и чтобы падение напряжения на ней от полного тока было больше 25 е. Последнее необходимо, чтобы дуга в главной цепи погасла при достаточно большом зазоре во избежание пробоя его после сгорания вспомогательной вставки.
