Слаботочка Книги

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 [79] 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92

того же тока контура объясняются нахождением тока контура 2 кА посредине диапазона 1-4 кА, в котором время плавления изменяется в 8000 раз (от 10- до 80 с по время-токовой характеристике). Во всяком случае, ток контура, равный 5/ном, можно считать граничным, соответствующим нестабильной и быстроизменяющейся части время-токовой характеристики. Анализ показывает, что подобное свойство характерно для быстродействующих предохранителей независимо от их конструкции. Особенно важно его учитывать при рассмотрении условий селективности.

Кратко выводы по особенностям коммутации быстродействующим предохранителем цепи переменного тока можно резюмировать следующим образом.

1. Значения энергии дуги и тока контура, в котором ее выделение максимально, зависят от напряжения сети, напряжения на дуге предохранителя и его номинального напряжения.

2. В диапазоне токов (12-г-100)/ном энергия дуги колеблется вблизи максимума в пределах 10-15%. В зоне больших токов (150250)/ном энергия дуги снижается относительно ее максимума на 20-25%; в зоне малых токов (2,3-=-5)/ном энергия дуги уменьшается в 2-3 раза.

3. Влияние угла на энергию дуги и ток контура, в котором энергия дуги максимальна, зависит от ряда факторов, определяемых параметрами контура и конструкцией предохранителя. В различных сочетаниях параметры контура /к, /ном, t/д, и„ом, Uc, il?, cos ф влияют на условия выделения наибольшей энергии дуги. При значительном увеличении напряжения на дуге или значительном снижении напряжения сети влияние параметров контура существенно снижается. Максимум энергии дуги наблюдается в зоне малых токов при 113=0°. Относительный максимум энергии дуги при i1j = 90° соответствует зоне больших токов.

4. В свете полученных результатов целесообразно уточнить рекомендации МЭК о том, что ток контура наибольшей энергии дуги должен в 3-4 раза превышать амплитуду импульса тока плавления, длительность которого составляет 10 мс. Кратность указанных токов должна быть расширена с 3-4 до 1,75-5.

Для предельного контура рекомендации МЭК предлагают обеспечить начало дугообразования при 11з=40ч-65° (один опыт) или 65-90° (два опыта). Однако исследования показывают, что при достаточно высоком и стабильном напряжении на дуге при il3=40° обеспечиваются бла-

!ГОприятные с точки зрения энерговыделения условия коммутации, поскольку при этом напряжение сети достаточно далеко от максимума. При медленно нарастающем напряжении на дуге и малом его значении угол i)=90° не обеспечивает максимальное выделение энергии дуги, так как процесс дугогашения будет происходить в условиях значительно сниженного относительно максимума напряжения сети. Таким образом, указанные рекомендации МЭК в ряде случаев не соответствуют реальной картине физических процессов, происходящих в быстродействующих предохранителях.

7.4. Выгорание плавкого элемента и габариты предохранителя

Благодаря высокой плотности тока КЗ нагрев, плавление и испарение перешейков плавкого элемента предохранителя реализуются на основе действия джоулева тепла RP. Для широкой части плавкого элемента подобный механизм выгорания возможен лишь при больших токах плавления (100-500 кА), в 10-20 раз превышающих значения, реально встречающиеся на практике. На- . пример, при температуре плавления удельное сопротивление серебра ро=8-10- Ом-см и в одном из шести плавких серебряных элементов предохранителя ПП59 длиной 4 см, сечением 0,014 см в течение 10 мс при токе 3 кА выделится лишь около 30 Дж тепла. Поэтому выгорание широкой части плавкого элемента за счет действия джоулева тепла можно пренебречь. Выгорание за счет теплопередачи от дуги также достаточно мало; если в первом приближении принять температуру обращенного к дуге конца плавкого элемента, равной температуре дуги, т. е. примерно 10 °С, то в соответствии с законом Фурье за время dt=\0 мс через сечение элемента 5=0,014 см в направлении нормали на длине А;=0,5 см будет передана энергия (Дж)

E=X - Sdt\0. (7.59)

Где АГ=10 °С - разность температуры дуги и плавкого элемента; Л - теплопроводность серебра.

Таким образом, по длине всего плавкого элемента передается 70, а по длине предохранителя в целом 420 Дж. В действительности эта величина еще меньше. Поэтому можно полагать, что выгорание широкой части реализует-

ся через приэлектродные явления, т. е. под непосредственным воздействием дуги на плавкий элемент.

Мощность, расходуемая на плавление и испарение широкой части плавкого элемента, определяется произведением тока дуги на приэлсктродное падение напряжения. При приэлектродном падении напряжения порядка 50 В и токе 3000 А мощность, необходимая для выгорания единицы сечения плавкого элемента, составляет примерно 120 кВт/мм, что значительно больше мощности, действующей в перешейках. Однако из-за влияния большого давления, выплескивающего жидкий металл в наполнитель и препятствующего его испарению, по-видимому, испаряется не более 10-20% расплавившейся части элемента.

Энергия, поступающая в дугу, расходуется на расплавление металла плавкого элемента с последующим преобразованием энергии расплавленного металла в энергию нагрева и расплавления наполнителя и на непосредственное воздействие на наполнитель.

В [7.9] было введено допущение о том, что скорость выгорания электродов плавкого элемента пропорциональна плотности проходящего через него тока

dlJdtaJ, (7.60)

где dl/dt - скорость выгорания плавкого элемента, равная скорости увеличения длины дуги; а - удельная константа выгорания.

Отсюда длина дуги (и, значит, плавкого элемента) представлялась

в виде

l=-idt, (7.61)

где q - поперечное сечение плавкого элемента.

На основании (7.61) был сделан вывод о том, что масса эродировавшего металла плавкого элемента пропорциональна электрическому заряду, прошедшему через столб дуги. К аналогичному выводу пришли и другие исследователи, предложившие выражение для скорости выгорания плавкого элемента, содержащее дополнительный член, пропорциональный либо квадрату тока, либо току в степени 1,6.

Ряд авторов предлагали выгорание материала плавкого элемента предохранителя под воздействием дуги рассматривать как процесс эрозии, аналогичный процессу эрозии контактов и описываемый тем же законом. При построении модели по (7.61) для анализа и оценки процесса выгорания плавкого элемента принято допущение адиабатич-ности процесса расплавления металла ввиду его кратковременности.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 [79] 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92