Работа 2

Исследование плавких вставок предохранителей

1. Цель работы

Целью работы является экспериментальное исследование времятоковых характеристик двух типов плавких вставок: открытой вставки и вставки в порошковом наполнителе, получивших наибольшее распространение в электротехнических установках.

2. Программа работы

2.1. Снять времятоковые зависимости для следующих типов плавких вставок:

а) открытая плавкая вставка круглого сечения;

б) плавкая вставка круглого сечения в порошковом наполнителе.

2.2. Выполнить расчет плавящего тока и времятоковой характеристики открытой вставки круглого сечения, для одного из материалов (по указанию преподавателя).

2.3. Составить отчет, который должен содержать:

а) схему испытательной установки;

б) таблицу экспериментальных данных;

в) графики с нанесенными экспериментальными и расчетными времятоковыми зависимостями исследованных плавких вставок (см. п. 2.3 и п. 2.4);

г) анализ полученных результатов.

3. Теоретическая часть

Плавкий предохранитель: Аппарат, который вследствие расплавления одного или нескольких специально спроектированных и рассчитанных элементов размыкает цепь, в которую он включен, отключая ток, превышающий заданное значение в течение достаточно продолжительного времени. В состав плавкого предохранителя входят все части, образующие аппарат в комплекте.[1]

В предохранителях отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки (часть плавкого предохранителя, включающая в себя плавкий(ие) элемент(ы), заменяемая после срабатывания плавкого предохранителя.[1]), которая нагревается непосредственно током защищаемой цепи. Процесс срабатывания предохранителя делится на несколько стадий:

t₁— нагревание вставки от температуры окружающей среды до температуры плавления;

t₂— плавление и испарение части вставки;

t₃— возникновение и гашение электрической дуги с восстановлением изоляционных свойств образующегося изоляционного промежутка.

Соответственно, полное время срабатывания

t_ср=t₁+t₂+t₃ (1)

Независимо от конструкции, работа предохранителя характеризуется времятоковой характеристикой. Времятоковая характеристика: Кривая зависимости преддугового времени или времени отключения от ожидаемого тока в установленных условиях срабатывания., которая представляет собой зависимость времени срабатывания предохранителя от величины протекающего через нее тока.[1] Зона времятоковых характеристик: Область, ограниченная минимальной преддуговой времятоковой характеристикой и максимальной времятоковой характеристикой отключения в установленных условиях (рис. 1).

У словный ток плавления I_f: Установленное значение тока, вызывающего срабатывание плавкой вставки в течение установленного (условного) времени.. Для открытой вставки круглого сечения значение минимального тока плавления (в амперах) может быть рассчитано по формуле[3]:

(2)

где К_т — коэффициент теплопередачи; S_охл — площадь поверхности охлаждения; Vпл — температура плавления материала вставки; V_o — температура окружающей среды, С; ρ_o — удельное электрическое сопротивление материала вставки; α — температурный коэффициент сопротивления. Коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле[3]:

(3)

где ε — коэффициент излучения тела (0 < ε < 1)(Таблица 1); T — температура, К.

Таблица 1

Материал	ε	α, 1/˚С	ρo,×10-5ом×мм	Тпл,˚С
Медь	0,76	0,004	1,75	1083
Цинк	0,2	0,0037	6,1	419
Серебро	0,02	0,004	1,65	960

1 — времятоковая характеристика отключения подсоединенного коммутационного аппарата для защиты от сверхтоков; 2 — перегрузочная характеристика; 3 — характеристика отключения; 4 — преддуговая характеристика

Рисунок 1 — Перегрузочная и времятоковая характеристики плавких вставок.

Номинальный ток плавкой вставки I_n: Значение тока, который плавкая вставка может длительно проводить в установленных условиях без повреждений.

Чтобы защитить установку от перегрева током, необходимо обеспечить такую времятоковую характеристику устройств защиты, которая лежит несколько ниже соответствующей характеристики защищаемого оборудования (кривая 2).

Однако согласовать таким образом характеристики предохранителя и защищаемого оборудования зачастую не представляется возможным. Это связано не только с формой времятоковой характеристики плавкого предохранителя, но

Рис. 2. Координация времятоковых зависимостей устройств защиты и защищаемого электрооборудования: 1 — зависимость допустимого времени протекания тока от его кратности (отношения величины протекающего , тока к его номинальному значению) для защищаемого электрооборудования; 2 — времятоковая зависимость идеального устройства защиты для данного защищаемого электрооборудования; 3 — времятоковая характеристика теплового реле; 4 — времятоковая характеристика плавкого предохранителя

и нестабильностью его срабатывания при больших временах плавления вставки (т. е. при токах, в 2—5 раз превосходящих номинальный и называемых токами перегрузки). При таких небольших перегрузках большое влияние оказывают массивность и степень поджатая контактов, температура и скорость движения окружающего воздуха, состояние поверхности и химический состав материала вставки. При токах короткого замыкания, в 10 и более раз превышающих но­минальный ток, перечисленные факторы практически не влияют на время плавления вставки. Поэтому в настоящее время плавкие предохранители используют, в основном, для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (кривая 4 на рис. 2), а защита от токов перегрузки осуществляется другими аппаратами, например, тепловыми реле (кривая 3).

Как отмечалось выше, после расплавления плавкой вставки возникает электрическая дуга, которая первоначально горит в парах металла. Для ее гашения в зависимости от номинальных тока и напряжения предохранителя применяются различные способы и системы дугогашения.

В настоящее время используются различные варианты исполнения плавких вставок.

Фигурные плавкие вставки по сравнению со вставками постоянного сечения имеют ряд преимуществ: снижается уровень перенапряжений при срабатывании предохранителя, в меньшей степени засоряется внутренняя полость патрона парами металла, уменьшаются тепловые потери и др.

В закрытых предохранителях без наполнителя (например, серии ПР-2, используемой в сетях на напряжение до 500 В с номинальным током до 1000 А, рис. 3, а) дуга гасится за счет резкого повышения давления в замкнутом объеме, возникающем при ее зажигании. Для сетей высокого напряжения с большими токами разработаны и успешно применяются предохранители с мелкозернистым наполнителем (ПК, и ПКТ), рис 3, б. Возникающая при плавлении вставки электрическая дуга тесно соприкасается с мелкими зернами наполнителя, интенсивно охлаждается.

Рис. 3. Примеры конструктивного исполнения предохранителей закрытого типа (а) и с наполнителем (б): 1 — плавкие вставки; 2 — изолирующий патрон (корпус); 3 — токопроводящие детали; 4 — защитные колпачки; 5 — наполнитель

Время срабатывания предохранителя складывается из времени плавления плавкой вставки и времени гашения возникающей дуги.

Расчет времятоковой характеристики обычно производится в предположении, что процесс нагрева имеет адиабатный характер. Практика показывает, что это допустимо при токах, которые превышают номинальный ток в три и более раз. Значения составляющих полного времени срабатывания предохранителя определяются[2]:

t₁=A₁*S²/I² ; t₂=A₂*S²/I² (3)

где S — сечение вставки; I — ток срабатывания предохранителя; A₁ и A₂ — постоянные, которые определяются электрофизическими характеристиками материала вставки. Их значения, A²c/мм⁴, для некоторых материалов следующие:

Таблица 2.

Материал	А1	А2
Медь . . .	80000	11000
Цинк	9000	3000
Серебро .	62000	8000

Время гашения дуги в первом приближении учитывается эмпирическими коэффициентами.

С учетом всего вышеизложенного полное время срабатывания определяется так:

а) для предохранителя открытого типа:

t_ср=(1,2-1,3)(А1+А2/3)S2/I2 (4)

б) для предохранителя с наполнителем:

t_ср=(1,7-2)(А1+А2)S2/I2 (5)