13.2 Плавка вставка при тривалому часі навантаження. Часово-струмова характеристика запобіжника

Розрізняють два режими роботи запобіжника:

1) режим тривалого навантаження, коли струм I має величину (1 – 1.5)І_ном;

2) режим короткого замикання, коли I= 3÷4. Процес при цьому протікає адіабатично, і все тепло, що виділяється, іде на нагрівання плавкої вставки.

Основною характеристикою запобіжника є часострумова характеристика. Це – залежність часу плавлення вставки від струму, що протікає по запобіжнику. На рис. 13.3 показано часострумову характеристику запобіжника.

А – область, де запобіжник не захищає;

Б – область, де запобіжник захищає.

В області великих перевантажень – в області Б, запобіжник захищає об’єкт. В області А його характеристика іде вище характеристики об’єкту, що захищається.

Струм, при якому плавка вставка плавиться, або згоряє при досягненні усталеної і постійної в часі температури, називається пограничним струмом.

, тобто струму, при якому працює дана система. Ця умова позначається так:

Запобіжники, щоб вони не спрацьовували при , треба вибирати так, щоб не тільки виконувалась умова:

, але щоб в той же час характеристика запобіжника наближалась до характеристики об’єкту, що захищається (штрихова лінія на рис. 13.3).

При струмах, близьких до , температура плавкої вставки буде наближатися до температури плавлення.

Запобіжник при струмі , як мінімум, працює 1 годину.

13.3 Металургійний ефект

Вставки із легкоплавких металів, на жаль, не ефективні, внаслідок іонізації шарів металу і виникнення при плавленні вставки дуги. Тому часто ефективним є застосування вставок із міді з металургійним ефектом. Він полягає в тому, що на тугоплавкі метали наносять легкоплавкі, наприклад, на мідний дріт товщиною ≤1 мм. наноситься кулька із олова. При нагріванні спочатку плавиться олово (=222). В місці контакту олова із дротом починається розчинення Cu і відповідно зміни його перерізу. Це викликає збільшення опору і підвищення теплових втрат в цій точці. Процес триває доти, поки мідний дріт не розплавиться або перегорить в місці розташування кульки.

Таким чином, застосування кульки зменшує температуру плавлення до 280, а це дозволяє понизити відношення до до величини 1,2.

Цей спосіб отримання необхідної часовострумової характеристики є ефективним для тонких вставок із діаметром . При збільшенні d вставки вплив металургійного ефекту зменшується.

13.4. Нагрівання плавкої вставки при короткому замиканні

Час нагрівання вставки t в режимі короткого замикання складається з трьох складових:

1. час плавлення (нагрівання до температури плавлення)(t₁);

2. час, протягом якого вставка розплавлюється (t₂);

3. час існування дуги (t₃).

(13.1)

Весь процес іде адіабатично, тобто все тепло, що виділяється при короткому замикані, іде тільки на її нагрівання.

Із умови енергетичного балансу можна розрахувати часи t₁, t₂, які враховують теплофізичні властивості матеріалу, його геометрію та силу струму.

При розрахунках зручно користуватись формулою:

– сила струму;

– площа поперечного перерізу;

– густина струму;

– константа, що для різних металів є різною. Це – відома таблична величина, що не залежить від розмірів вставки.

Так, ,

Значить, при однакових густинах струму і розмірах час нагрівання до температури плавлення вставки із міді буде в 65 раз більше, чим цинку.

Аналогічно

– теж таблична константа.

, .

Повний час вимикання кола запобіжника можна визначити за формулою:

(13.2)

– коефіцієнт, що враховує тривалість горіння дуги.

залежить від конструкції запобіжника, від того, чи він засипний чи не засипний. Для гасіння дуги часто вводиться наповнювач, що засипається, він забирає тепло від дуги, дуга гаситься (наповнювачем може бути пісок, вапно). Якщо вставка запобіжника знаходиться в повітрі, то =1,2–1,3. Якщо запобіжник з наповнювачем, то час вимикання – більший, =1,7÷2.

Якщо говорити про ефективність запобіжників, то одна із позитивних їх сторін, – це обмеження струму короткого замикання. Струмообмеження при короткому замиканні має ту позитивну сторону, що обмежує величину електродинамічної сили, яка приводить до руйнування системи. Обмежуюча дія вставок з використанням металургійного ефекту (МЕ) нижча, ніж при інших формах струму обмеження.

Марки низьковольтних запобіжників – ПН-2, ПР-2, ПРС. В широко розповсюджуваному запобіжнику ПН-2 використовують пісок із зернами ~0,2·10^-3м і вологістю ≤3%. Вставка із Си стрічки 0,1-0,2 мм товщини.