Плавкий предохранитель

 

ПЛАВКИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ,содержащий корпус, заполненный дуго-гасяйдам наполнителем, контактные выводы и соединенный с контактными выводами по мейыпей мере один ленточный плавкий элемент с местами уменьшенного сечения - перешейками,о т личающийся тем, что, с целью обеспечения надежной работы в тепловом и коммутационном режимах, перешейки имеют в плоскости плавкого элемента форму, образованную двумя прямыми, являющимися границами-областей полного сечения плавкого элемента , и двумя выпуклыми кривыми, плавно переходящими в указанные прямые в точках их соединения, причем указанные кривые могут, быть частью окружности , полуволны синусоиды, эллипса, а отношение размеров перешейков и плавкого элемента являются следующими: 1 0,06-0,3; |- 7-32} | - 0,6 (Л -1,6; 1 0,7-1,3; J- 0.1-0,4, где с - основание перешейка; d - ширина плавкого элемента; f - минимальная ширина перешейка; 1. - минимальное расстояние между двумя перешейками; а - длина перешейка; ел Ъ - длина области полного сечесо о 00 СП ния плавкого элемента между смежными рядами перещейков.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4<5>) Н 01 Н 85/08 а=еюа ,с

1 :.1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

9 (21) 3667796/24-07 (22) 21,11.83

46 30.05.85. Бюп. 119 20 (72) К.К.Намитоков, Н.А.Ильина и И. Г.Шкловский (71) Харьковский институт инженеров коммунального строительства (53) 621. 316. 923(088. 8) (56) 1. Патент Англии и !5064109 кл. Н Ol Н 35/08, 1978.

2. Патент США В 4227167, кл. Н 01 Н 85/12, 1980.

3. Заявка Японии N 43-12170, 59В19 1968.

4. Авторское свидетельство СССР

119 824332, кл. Н 01 Н 85/02, 1981.

5. Патент США 119 3189712, кл. Н 01 Н 85/04, 1965.

6. Патент США У 4053860, кл. Н 01 Н 85/04, 1977. (54)(57) ПЛАВКИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЪ9содержащий корпус, заполненный pyro гасящим наполнителем, контактные выводы и соединенный с контактными выводами по меньшей мере один ленточный плавкий элемент с местами умень„;,SU; 1I Qgg А шенного сечения — перешейками,о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения надежной работы

/ в тепловом и коммутационном режимах, перешейки имеют в плоскости плавкого элемента форму, образованную двумя прямыми, являющимися границами областей полного сечения плавкого злеиента, и двумя выпуклыми кривыии, плавно переходящими в указанные пряиые в точках их соединения, причем укаэанные кривые могут быть частью окружности, полуволны синусоиды, эллипса, а отношение размеров перешейков и плавкого элемента являются следующими: с с с

9 9 9 — = 0 06-0 3 — 7-32 — 0 6° у 9 -1 6 — 0,7-1 39 — 0 1-0,4, с а где с - основание перешейка; . и - ширина плавкого элемента;

f - минимальная ширина перешейками

1 — минимальное расстояние между двумя перешейками; а - длина перешейка;

Ь - длина области полного сечения плавкого элеиента между смежными рядами перешейков. вом режиме и относительно неплохие условия для перешейков при действии циклической нагрузки.

Однако в коммутационном режиме использование элементов такой формы существенно ухудшает условия для быстрого формирования дуги и значит для быстрого роста напряжения на дуге.

Следствием этого являются плохое токоограничение, большие Джоулевы интегралы и большая энергия дуги (а значит необходимость в больших габаритах предохранителей). Особенно плохо та" кие предохранители работают при коммутации малых токов.

Известны предохранители, в которых плавкие элементы содержат перешейки, полученные с помощью перфорации круглых отверстий диаметром 4,5-5,0 мм; при этом ширина перешейка составляет 0,75-1,0 мм (5).

Недостаток такой конструкции планкого элемента заключается в невозможности обеспечения высокой плотности номинального тока, необходимой в быстродействующих предрхранителях, с соответствующих параметров стационарного и циклического тепловых режимов, что обусловлена большими абсолютными размерами перешейков и особенностями

Наиболее близким по техническои сущности к данному является плавкий предохранитель, содержащий корпус,заполненный дугогасящим наполнителем, контактные выводы и соединенный с контактными выводами по меньшей мере один ленточный плавкий элемент с местами уменьшенного сечения - перешейками. В указанном плавкам предохранителе перешейки имеют ширйну 0,25 мм и получены посредством, перфорации от" верстий диаметром 4,56 мм 6J.

Недостаток указанного плавкого предохранителя заключается в том,что быстрое изменение сечения (ширины) перешейка вдоль его длины, обусловленное . формой и размерами перфораций, приводит к формированию наиболее нагретого участка перешейка малой длины, что благоприятно с точки зрения теплового режима, однако не удовлетворяет требованиям режима коммутации ввиду образования короткой дуги, и значит низкого напряжения на дуге. Это .существенно осложняет отключение малых токов перегрузки и ухудшает защитные характеристики пре1

1 1159085 2

Изобретение относится к электроаппаратостроению, в частности к плавким предохранителям.

Известны плавкие предохранители, у которых участки уменьшенного сечения (перешейки) имеют постоянное сечение (ширину) в направлении протекания тока, а переход перешейков в область полного сечения осуществляется плавно через промежуточные зоны 10 в результате вырубки отверстий в элементе в форме трапеции или многоугольника Pl .

Известны также плавкие предохра" кители, в которых перешейки и отверс- 15 тия имеют прямоугольную форму 2 .

Однако использование перешейков постоянного (по длине) сечения, имеющих обычную прямоугольную форму, обуславливает концентрацию механи- 2О ческих напряжений и напряженности электрического поля в точках, лежащих в углах граничной ломаной линии, Nexa»» нические напряжения, возникшие в плавкам элементе при его изготовлении 2g заметно снижают стойкость предохранителя к воздействию циклически из" меняющихся как механических (действующих при засыпке наполнителя, транспортировании, эксплуатации и т. и ) ЗО так и электрических (особенно харак- их формы. терных для предохранителей, работающих в преобразовательных агрегатах) нагрузок. Прямоугольная форма перешейков не обеспечивает достаточной механической прочности перешейка на разрыв, а концентрация напряженности электрического поля в углах ломаной линии, разграничивающей зоны полного и уменьшенного сечения перешейков, может достигать десятикратного значения от номинальной величины„ приводит к резко неравномерному нагреву элемента, вызывает преждевременное срабатывание предсдсранителя.

Известны предохранители с плавкими элементами, в которых перешейки имеют так называемую нулевую длину в связи с расположением перешейков между вершинами ромбов или прямоугольников, в у> форме которых выполнены перфорированные отверстия 13 . К этому же типу относятся и перешейки, полученные с помощью клиновидных вырезов j4). Хо-. рошая тепловая связь перешейков с ши- Я рокими частями плавкого элемента в таких предохранителях обеспечивает надежную работу в стационарном тепло3 1 159 дохранителя. Кроме того, сравнительно большое суммарное сечение перешейков, обусловленное формой, размерами перфораций и количеством параллельно соединенных . в одном элементе перешейков, не позволяет получить достаточно высокую плотность номинального тока, и значит высокое быстродействие. В указанном плавком предохранителе форма и размеры пере" 10 шейков и перфораций не связаны с параметрами широкой части плавкого элемента, хотя такая связь в действительности существует. Отмеченные недостатки не позволяют одновременно обеспечить достаточно высокие показатели стационарного и циклического тепловых режимов, с одной стороны, и хорошие защитные характеристики в режиме коммутации, с другой стороны, т.е. не позволяют создать оптимальную конструкцию плавкого элемента, допускающую компромисс между обычно диаметрально противоположными требованиями теплового и коммутационного режимов.

Цель изобретения — обеспечение на-, дежной работы предохранителя в тепловом и коммутационном режимах. 30

Поставленная цель достигается тем, что в плавком предохранителе, содержащем корпус, заполненный дугогасящим наполнителем, контактные выводы и соединенный с контактными выводами

/ 35 по меньшей мере один ленточный плавкий элемент с местами уменьшенного сечения — перешейками, перешейки имеют в плоскости плавкого элемента форму, образованную двумя прямыми, яв- ляющимися границами областей полного сечения плавкого элемента, и двумя выпуклыми кривыми, плавно переходящими в указанные прямые в точках их соединения, причем указанные кривые могут быть частью окружности, полуволны синусоиды, эллипса, а отноше" ния размеров перешейков и плавкого элемента являются следующими:

0 06-0 3 ° — = 7-32 ° — = 0 6- 50 с с с

Ф В э 9 1 э

-1 61 — 0,7-1,3; — = 0,1-0,4, где c — основание перешейка;

d " ширина плавкого элемента;

f — минимальная ширина перешейка; 55

- минимальное расстояние между двумя перешейками;

a — - длина перешейками

085 4 .Ь вЂ” длина области полного сечения плавкого элемента между смежными рядами перешейков.

На фиг.1 показан общий вид плавкого предохранителя; на фиг.2 — плавкий элемент предохранителя.

Плавкий предохранитель фиг. I} содержит корпус I контактные выво- ды 2, плавкие элементы 3, помещенные в наполнитель 4. Наиболее целесообразным является расположение плавких элементов по периметру корпуса предохранителя параллельно его продольной оси, но не исключается и другое расположение элементов, обусловленное спецификой характеристик предоранителя.

Плавкий элемент 3 предохранителя (фиг.2) содержит область полного сечения 5 плавкого элемента, которая подсоединяется сваркой к контактным выводам 2, область полного сечения

6, находящуюся между областями уменьшенного сечения, содержащими перешейки 7, полученные путем перфорации отверстий 8.

Проведенные исследования позволяют выделить следующие основные параметры плавкого элемента; a - эф" фективная длина перешейка; 4 - длина. области полного сечения элемента между двумя последовательно соединенными рядами перешейков, с - основание перешейка, cI — ширина плавкого элемента, С вЂ” минимальное расстояние между двумя параллельно соединенными перешейками, -ширина перешейка в его центральной части (минимальная ширина перешейка). Важными представляются следующие отношения параметров: -, — ; с. с ц Г с с .а. —; — и—

2 а Ь.

С точки зрения требований теплового режима абсолютную велИчину параметра с желательно иметь максимальной.

Однако это препятствует надежной работе в режиме коммутации из за черезмерно сильной тепловой связи и предполагает значительное увеличение габаритов предохранителя, Аналогичную характеристику можно дать и параметру с1 . При весьма малой величине с форма перешейка приближается к прямоугольной с образованием перешейка постоянного сечения. В пределах с1 ° 8.-3 2 мм и d 11-30 мм обеспечивается наиболее рациональная геометрия плавкого элемента, позволяющая, во115908 первых, достичь хорошего отвода тепла

1от наиболее нагретых участков плавкого

:элемента-перешейков - к эффективно отводящей тепло широкой части элемента; во-вторых, получить достаточно э благоприятные условия, для расплавления перешейков во время протекания аварийных токов и формирования дуги с требуемым напряжением на ней; втретьих, иметь оптимальные габариты 10 элемента. Очевидно, что уменьшение или увеличение одного из этих параметров в одних случаях позволяет, а в других случаях требует соответствующего изменения другого параметра. 15

Отношения указанных параметров, рав" н е - - 0 16 - - = 0,06; -- - =

1 8 18 32

11 30 11 0 291 - - 0 10 и предельное отно3 2.

30 шение 0,06 - 0,30, кроме того, оказываются благоприятными и с точки зрения снижения температурных механических напряжений благодаря более равномерному Распределению тока по сече- 25 нию, Параметр с довольно тесно связан и с другим важным конструктивным пе раметром 1 . Например, если увеличивать величину 1 без учета ее взаимосвязи с параметром с, то можно вновь прийти к почти прямоугольному перешейку со всеми его недостатками вблизи воны когда f =. с1 к тому же при этом плотность тока в перешейке будет

Э

35 снижаться, что ухудшит быстродействие. Если же черезмерно уменьшить Х, то, во-первых, центральное сечение перешейка окажется перегретым, что

4ф

t не позволит получить требуемого номинального тока предохранителй, а, во-вторых, при срабатывании образуется короткая, дуга с низким напряженнем, что ухудшает защитные харакg$ теристики и затруднит коммутацию малых токов перегрузки. Кроме того, при этом возрастут остаточные механические напряжения, образующиеся при штамповке плавких элементов, и уменьшится механическая прочность на разрыв перешейков. При абсолютных значениях f 0,1"0,25 отношения па1 8 - 1 8

Раметров «с Равные 0 1 18, 0 25 f; в Ф

7 - - 32 - - 13, и предель32 32

0,1, 0,25 кое отношение 7 - 32 обеспечивают оптимальное сочетание требуемых защит5 6 ных и тепловых характеристик предохранителя.

Предложенная форма перешейка н указанные отношения параметров также рбеспечивают среднеинтегральную плотность тока по сечению перешейка в пределах 400"1300 А/мм, требуемую в быстродействующих предохранителях.

Отношение параметров — характес

С ризует интенсивность расположения параллельно соединенных перешейков, а значит и интенсивность нх нагрева. от воздействия протекающего через них тока и взаимного нагрева, а также интенсивность выгорания широкой части элемента. При большой величине (на заданной ширине с1 можно расположить небольшое число параллельных перешейков, что не позволит получить требуемые значения номиналь" ного тока и плотности номинального тока, Кроме того, при большой величине с широкая часть элемента будет выгорать медленно, что вызовет низкую скорость роста напряжения на дуге и малую величину этого напряжения и как следствие ухудшение за» щитных характеристик предохранителя.

При черезмерно малой величине а велико тепловое влияние друг на друга смежных перешейков, приводящее к невозможности обеслечения необходимого стационарного и циклического тепловых режимов. Оптимальные значения

С

Й 2-3 мм определяют отношения - 1 8 1 8 3 2 равные -2 - 0,9; -3 - = 0,6; -ф--1,6;

1,07, и предельное отношение

3 2

0,6-1,6,.

Параметр о в связи с параметром с в общем случае определяет отношение интегральных величин длины и ширины перешейка. Увеличение параметра а относительно параметра с означает фактическое удлинение перешейка, в связи с чем его нагрев усиливается, интенсифицируется неоднородность нагрева плавкого элемента, приводящая к росту температурных напряжений, ослаблению механической прочности перешейка как под влиянием ослабления прочностных свойств материала элемента при высокой температуре, так и из-за действия остаточных механических напряжений, Все это резко ухудшает условия температур ного режима. С другой стороны, умень"шение параметра а осложняет работу предохранителя в режиме коммутации

7 1159 токов к.з. и токов перегрузки. В то же время изменение параметра а в связи с параметром с например, определенное. увеличение при одновременном увеличении с) в установленных пределах обе спечи вает до ст аточный компро миc с в удовлетворении противоречивых требований теплового и коммутационного режимов. При аб солютных. значениях

1,7"2,5 мм отношение — = 1,06; 1р

1 8 3 2 3 2

- — = 0 7 ° †- - = 1 8 ° - - = 1 3 и пре2,5 1 7 2,5 дельное отношение 0,7 - 1,3. Выход за укаэанные пределы нарушает условия компромисса и не приводит к достижению цели.

Параметр Ь в связи с параметром а, определяющий отношение длины широкой части элемента и длины чаЧти уменьшенного сечения, т.е. перешейка, в значительной степени определяет ха рактер дугогашения в предохранителе.

Если расплавление перешейков при протекании аварийного тока приводит к формированию передного фронта напряжения на дуге, то выгорание широкой части элемента под воздействием образовавшейся дуги определяет особенности изменений напряжения на дуге практически в течение всего процесса горения дуги. А поскольку именно оттого, как изменяется напряжение на дуге, зависят все основные защитные характеристики предохранителя, выбор параметров а н Ь играет важную роль.

При этом имеет значение и абсолютные З5 величины е и о и их отношение. При малой величине а и достаточно большой . величине Ь начальный скачок нагряжения на дуге будет малым и даже наличие большой длины широкой части не обеспечит требуемого среднеинтегрального значения напряжения на дуге, что ухудшит защитные характеристики. Боль- шая величина а при малой величине Ь нецелесообразна ввиду опасности пе" ренапряжений и ухудшения теплового режима. Исследованиями установлены оптимальные величины Ь = 7-17 мм и

l 7 отношения С1/,, равные -7- = 0,25; So

085 8 и предельное отношение 0,10"0,40,, Таким образом, представлены соотношения, определяющие профиль плавких перешейков вдоль их длины, т. е. форму и размеры перешейков в связи с размерами широкой часхи элемента, они тесно взаимосвязаны и только при учете этого фактора можно обеспечить надежную работу предохранителя. Следует также заметить, что при проведенном здесь анализе для простоты рассматриваем лишь случай идентичности всех параметров в рамках одн го плавкого элемента. В пределах изобретения предполагается также исполь" зование и различных параметров, например могут быть различными основания одного и того же перешейка (т.е. величины С и Ч, расстояние между двумя параллельно соединен—

t ными перешейками величины t и Е ) и т. и.

Работа плавкого предохранителя отличается от известных устройств следующими особенностями. Во-первых, благодаря указанной конструкции плавкого элемента остаточные механические напряжения после изготовления оказываются значительно (35-45 ) меньше по сравнению с прототипом; во-вторых, температурные напряжения в связи с более равномерным распределением тока (и значит температуры), особенно в зоне перешейков и вблизи нее, снижаются на 10-20Х- в-третьих, механическая прочность перешейков на разрыв повышается на 15-20Х. Эти особенности позволяют существенно повысить надежность работы предохранителя в стационарном и циклическом тепловых режимах. Кроме того, выбор соответствующей геометрии плавкого элемента дает воэможность практичес- ки не только не ухудшить, но даже заметно улучшить защитные характеристики предохранителя на этапе гашения дуги.!

iPgp, Я

ВНИИПИ Заказ 3599/52 Тираж 679 Подписное филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4