ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ
Введение. Пробой изоляции молниевами процессами - явление обычное. Если это поверхностный пробой, то чаще всего каких-либо неприятных последствий с изоляцией не происходит по той причине, что за короткое время (сотни микросекунд, а 1 мкс - одна миллионная доля секунды) действия дуги в месте пробоя выделившегося тепла недостаточно для разрушения изоляции. Иная ситуация возникает, если по молниевой электрической дуге начинает протекать ток от стационарного источника (так называемый подхватывающий, или сопровождающий ток). Если стационарный источник питающей установки является источником достаточно большой мощности, то при определенных условиях горение дуги может поддерживаться сколь угодно долго, если сопровождающий ток не отключить с помощью защитного прибора. Таким прибором в цепях СЖАТ является плавкий предохранитель (ПП).
В системах СЦБ используется примерно 1 350 000 ПП. Это дешевые приборы, но у них есть недостаток: примерно в среднем из 10 срабатываний в 9 случаях "металлического" короткого замыкания (КЗ) нет. Одна из причин - отключение сопровождающего тока. Другая причина - в износе (окисление поверхности ПВ при нагреве) и усталости плавкой вставки (ПВ), вытягивании нити подпружиненным элементом.
АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ КОНТРОЛЯ СРАБАТЫВАНИЯ ПЛАВКИХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ
Неотъемлемой частью любой системы железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) является плавкий предохранитель (ПП). Главное его назначение – защита СЖАТ от пожаров и повреждений аппаратуры при возникновении коротких замыканий (КЗ) и токовых перегрузок в многочисленных цепях. Благодаря используемому в ПП физическому принципу защиты – расплавление проволочной плавкой вставки (ПВ) с нормативным поперечным сечением – предохранитель гарантирует отключение поврежденного участка цепи при КЗ и токовых перегрузках. Несмотря на то, что ПП, как устройство защиты цепей СЖАТ, применяется уже порядка ста лет, ряд его параметров, таких как разрывная способность и быстродействие, остаются непревзойденными другими устройствами токовой защиты (например, автоматическими выключателями с тепловыми и электромагнитными расцепителями).
Важной характеристикой ПП также является его низкая стоимость (автоматические выключатели многократно дороже), принимая во внимание, что в СЖАТ эксплуатируется более 1,35 млн. плавких предохранителей.
Кроме того, даже при появлении на рынке электротехнической продукции альтернативы ПП, любое такое устройство должно иметь конструктивную совместимость с существующей аппаратурой по штепсельному соединению и габаритным размерам, позволяющую осуществить замену ПП на это устройство без каких-либо изменений в конструкции и монтаже СЖАТ.
Таким образом, альтернативы ПП в СЖАТ пока не видится.
В наиболее ответственных цепях, таких как цепи питания стрелочных электроприводов, рельсовые цепи, применяются ПП с контролем перегорания. Контроль перегорания – это незаменимый атрибут ПП, позволяющий в кротчайшие сроки найти сработавший предохранитель. Применение ПП с контролем перегорания необходимо для сокращения времени на восстановление нормальной работы устройств СЖАТ.
Устройство и принцип работы системы контроля срабатывания ПП На рис. 1 (а, б) представлен схематический вид ПП и системы контроля срабатывания предохранителей. Работа системы осуществляется следующим образом. В предохранителе за плавкую вставку зацеплен крючок бойка. Боек находится во взведенном состоянии над сигнальными лепестками за счет пружины. Сигнальные лепестки установлены в цоколе и являются коммутирующим элементом контрольной цепи. В контрольную цепь подключаются сигнальная лампа и звонок. В нормальном режиме, когда все предохранители исправны: сигнальные лепестки разомкнуты, лампы не горят и звонок не звенит. При перегорании предохранителя его плавкая вставка расплавляется и освобождает крючок бойка. Боёк под действием пружины опускается и замыкает сигнальные лепестки. По контрольной цепи начинает протекать ток, загорается сигнальная лампа и звонит звонок.
а
б
Рис.1. Схематический вид ПП (а) и системы
контроля срабатывания предохранителей (б)
Недостатки механического контроля срабатывания ПП. Основная часть недостатков ПП относится к системе механического контроля срабатывания. Можно выделить следующие ее недостатки:
- трудность в обеспечении параметрической совместимости упругости нормально разомкнутых контактов выходной части системы механического контроля и упругости пружины бойка;
- несрабатывание системы механического контроля ПП, вследствие застревания подпружиненного элемента контроля (бойка) на шарообразном наплыве, образовавшемся после расплавления ПВ;
- загрязнение сигнальных лепестков;
- отсутствие информации о точном адресе сработавшего ПП;
- высокие эксплуатационные затраты, связанные с периодической регулировкой бойка в КИПах;
- отказ системы механического контроля при зазоре более 2 мм между ПП и цоколем.
Рассмотрим более подробно каждый из этих недостатков.
1. Предохранитель с контролем перегорания представляет собой довольно сложное электротепломеханическое устройство, содержащие различные упругие элементы. Поэтому одной из причин низкой надежности контроля, вытекающей из конструкции, является трудность в обеспечении параметрической совместимости упругости нормально разомкнутых контактов выходной части системы механического контроля (сигнальные лепестки) и упругости пружины механического подпружиненного элемента контроля – бойка. Силовые характеристики последней должны быть минимальны для уменьшения вредного вытягивающего влияния на ПВ. В противном случае крючок бойка растянет проволочную вставку и, опускаясь, замкнет сигнальные лепестки, что приведет к ложному сообщению о срабатывании ПП.
2. На практике часто наблюдались случаи, когда механический подпружиненный элемент контроля застревает, зацепившись за шарообразный наплыв, возникающий при расплавлении ПВ на конце оставшейся части ее проволоки (рис. 2).
Был проведен эксперимент по определению вероятности отказа системы механического контроля, возникающей при данном эффекте.
Плавкий предохранитель с ножевыми выводами с контролем перегорания (по черт. 24714-00-00-04) на номинальный ток 5 А включался в цепь с нагрузкой общей мощностью 4 кВт. Схематический вид сверху исследуемого предохранителя представлен на рис. 2. В качестве источника питания использовался аккумулятор типа А412/32G6 напряжением 12 В.
Через ПП пропускался ток в несколько десятков раз превышающий номинальный. Каждый раз после его срабатывания фиксировалась зона разрыва плавкой вставки. Всего было проведено 10 опытов. Результаты приведены на рис. 3.
Рис. 2. Иллюстрация отказа контроля ПП
вследствие возникшего шарообразного наплыва на конце проволоки ПВ
Опыт 1 Опыт 2
Опыт 3 Опыт 4
Опыт 5 Опыт 6
Опыт 7 Опыт 8
Опыт 9 Опыт 10
Рис. 3. Схематическое представление образования наплывов
в зоне разрыва ПВ по результатам эксперимента
Из рис. 3 видно, что расплавление плавкой вставки по центру не наблюдалось. Это можно объяснить тем, что и держатели плавкой вставки, и крючок бойка выполняют функцию охлаждения. Таким образом, расплавление ПВ будет происходить между ними, так как на этом участке ее температура максимальна. В опытах 6, 7, 8, 10 система механического контроля не сработала, так как крючок бойка оставался подвешенным на образовавшемся при расплаве на конце проволоки шарообразном наплыве. На основании полученных результатов видно, что вероятность отказа системы механического контроля составила 0,4.
3. Сигнальные лепестки ПП никаким образом не изолированы от внешней среды, поэтому в помещениях с большим количеством пыли возможно их загрязнение. Это может привести к тому, что в случае санкционированного срабатывания ПП в замкнутом положении сигнальные лепестки будут иметь высокое сопротивление. Следовательно, система механического контроля не сработает, и времени на поиск неисправности уйдет больше.
4. Система механического контроля не дает обслуживающему персоналу информацию о точном адресе сработавшего ПП, а лишь обозначает группу, в которой находится сработавший экземпляр. Количество ПП, входящих в одну такую цепь может достигать трех десятков. В условиях стрессовой ситуации электромеханик должен найти в обозначенной группе сработавший ПП, и этот поиск не только занимает время, но и зачастую приводит к ошибкам.
5. Все ПП ремонтируются по графику 1 раз в год в соответствии с технологической картой № 27. Данная работа трудоемкая и включает в себя: осмотр и чистку корпуса, проверку сопротивления изоляции между силовыми контактами, регулировку бойка, напайку новой ПВ и проверку ПП на стенде. Наиболее длительная по времени и ответственная часть этой работы – это регулировка пружины бойка, поскольку от правильной настройки ее упругости и чувствительности сигнальных лепестков зависит надежность системы механического контроля срабатывания ПП. Так как в настоящее время эксплуатируется порядка 700 тысяч плавких предохранителей с контролем перегорания, нетрудно представить насколько велики эксплуатационные затраты на их ремонт и регулировку.
6. Иногда в процессе эксплуатации под воздействием вибрации и даже небольшого несоответствия размеров цоколя и расстояния между контактными ножами, ПП постепенно выходит из цоколя. Если этот зазор превысит 2 мм, то боёк не сможет надежно замкнуть цепь системы механического контроля при срабатывании ПП. Поэтому обслуживающий персонал должен периодически проверять отсутствие этого зазора, но это делается только раз в год [3, с. 389].
Анализ эксплуатационной надежности контроля срабатывания плавких предохранителей в СЖАТ. Были собраны данные об отказах ПП за 2010 год по Октябрьской железной дороге на основании записей в журнале нарушений работы устройств сигнализации, централизации и блокировки ШУ-78. На их основе был произведён статистический анализ причин срабатываний плавких предохранителей, приведенный в таблице.
Из данных таблицы следует, что эксплуатируемые в настоящее время типовые предохранители с проволочной плавкой вставкой имеют санкционированные срабатывания лишь в 16 % случаев, а в оставшихся 84 % случаев они отключают исправные системы автоматики и телемеханики. Следовательно, функционирование последних прекращается вследствие собственного отказа ПП. Несанкционированно сработавший предохранитель отключает часть устройств СЖАТ от источника питания, и это приводит не только к сбою графика движения поездов, но и к необходимости перехода на ручное управление стрелками и сигналами. В такой ситуации из-за ошибок оперативного персонала наблюдаются случаи ошибочного перевода стрелок под подвижным составом и др. опасные события, а это уже прямая угроза безопасности движения поездов.
Таблица. Отказы плавких предохранителей в устройствах СЖАТ по Октябрьской железной дороге за 2010 год
| Группы предохранителей | Характер отказов и причина | ||||||
| Несоответствие номинала | К.з. цепи | Некачественная пайка | Гроза, внешние перенапряжения | Окисление, коррозия | Некачественная регулировка | Всего | |
| Предохранители, всего | |||||||
| предохранители с контролем перегорания | |||||||
| предохранители без контроля перегорания | - | - | - |
На Октябрьской железной дороге эксплуатируется примерно 220 тысяч плавких предохранителей, из них 120 тысяч с контролем перегорания. Несмотря на то, что число ПП с контролем и без контроля перегорания примерно одинаковое, число отказов существенно отличается. В цепях защищаемых ПП с контролем перегорания произошло на 23,8 % отказов больше. Из таблицы видно (столбец 4 и 7), что 8,3 % несанкционированных срабатываний ПП с контролем перегорания обусловлено отрицательным влиянием существующей механической подпружиненной системой контроля целостности проволочной плавкой вставки.
Таким образом, в 8,3 % случаев несанкционированных срабатываний происходит разрыв ПВ вследствие воздействия на нее механической системы контроля, а исходя из результатов эксперимента предыдущего пункта, в 40 % случаев санкционированных срабатываний механическая система контроля отказывает и не извещает персонал о перегорании ПП.
Метод совершенствования системы механического контроля срабатывания ПП
Повышением надежности контроля срабатывания ПП занималась кафедра «Электрическая связь» с 2004 года и уже имеет определенные успехи. Так, разработана теория проволочной ПВ, на её основе создан двухнитевой ПП (рис.4), который при поддержке департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД» освоен на Санкт-Петербургском электротехническом заводе (СПбЭТЗ) – филиале ОАО «ЭЛТЕЗА» и серийно выпускается в настоящее время. В нем установлены две параллельно включенные ПВ: медная и константановая. Медная ПВ является рабочей и калибруется под заданный номинал тока, а константановая выполняет контрольную функцию. Данный метод полностью устраняет основной недостаток системы механического контроля ПП – застревание подпружиненного элемента контроля (бойка) на шарообразном наплыве, образовавшемся после расплавления ПВ.
Рис. 4. Двухнитевой плавкий предохранитель с контролем перегорания
Внедрение двухнитевого ПП дало положительный эффект – практически вдвое увеличилась надежность (доля санкционированных срабатываний возросла с 10 % за 2006 году до 18 % за 2010 год). Тем не менее, эта величина пока еще мала. Оставшиеся пять, описанных выше недостатков сохранились, поэтому по-прежнему основным фактором снижающим надежность данного ПП является механический контактный контроль срабатывания. Следовательно, общая эксплуатационная надежность системы механического контроля ПП по-прежнему является неудовлетворительной.
Из приведенного анализа следует, что задача совершенствования системы контроля срабатывания ПП в СЖАТ представляется весьма актуальной. Перспективным направлением совершенствования является переход от контактно-механического принципа работы к бесконтактному. Для этого предлагается:
· Принять за основу двухнитевое исполнение ПП (в таком исполнении СПбЭТЗ серийно выпускает в настоящее время разработанный кафедрой «Электрическая связь» плавкий предохранитель).
· Использовать низкое сопротивление контура из двух параллельных плавких вставок как признак работоспособности ПП.
· Для осуществления контроля низкого сопротивления контура применить высокочастотный генератор, создающий контрольный ток в этом контуре с помощью развязывающего трансформатора, построенного на малогабаритном ферритовом кольце, и приемник в виде порогового элемента (например, триггер Шмитта), подключенный к контуру через аналогичный трансформатор. Когда обе ПВ целые, высокочастотные сигналы от генератора воспринимаются приемником, что свидетельствует о работоспособности ПП. В случае КЗ в защищаемой цепи ПВ перегорают, контур размыкается, сигналы от генератора не передаются к приемнику, который фиксирует это событие как срабатывание ПП.
· Обеспечить удобную индикацию состояния ПП для обслуживающего персонала, используя блок индикации. Данный блок высвечивает информацию о состоянии каждого установленного на стативе ПП с помощью светодиода. Каждому состоянию ПП (срабатывание, обрыв основной ПВ и др.) соответствует определенное свечение светодиода.
Литература
1. Аппаратура СЦБ. Технологический процесс ремонта РМ32-ЦШ 09.11-82. Часть II / утв. 11.08.81 В. И. Сироткиным. – М.: Транспорт, 1982. – С. 108
2. Устройства СЦБ. Технология обслуживания /утв. 25.12.1997 В. Д. Водяхиным. – М.: Транспорт, 1999. – 433 с. – ISBN 5-277-02068-3.
3. Костроминов А. М., Павлов Д. Л., Варис К. В. Анализ надежности контроля срабатывания плавких предохранителей СЖАТ / Костроминов А. М., Павлов Д. Л., Варис К. В. // 66-я научно-техническая конференция СПбНТОРЭС им. А. С. Попова / под ред. В. С. Гутина [и др.]. – СПб., 2011. – С. 102 - 104.
Дополнение по теме.
Методы и средства защиты от токовых перегрузок
В общем случае способы и реализация зашиты от перегрузок зависят от вероятности их проявления. Так. если вероятность кратковременных самоликвидирующихся перегрузок велика, целесообразно использовать ограничение или отключение тока перегрузки е последующим автоматическим восстановлением цепи питания. И, наоборот, если характер перегрузки в основном постоянный (например, устойчивое короткое замыкание), то предпочтительно отключение тока перегрузки без последующего восстановления питания.
Ограничение величины тока как метод защиты находит узкое применение, поскольку реальные характеристики ограничителей существенно отличны от идеальных. Простейшим примером токоограни- чивающего защитного средства может служить нить лампы накаливания. На ряде дорог для резервирования и контроля плавких предохранителей используют электровозные прожекторные лампы типа ПЖ50-500 (на напряжение 50 В и мощность 500 Вт). В холодном состоянии они имеют сопротивление нити 0,45 Ом, в горячем (полный накал) - 5 Ом, а при токе 3 А — около 1 Ом. Лампы подключают параллельно плавким предохранителям. При перегорании предохранителя и самоликвидации перегрузки ток через нить лампы продолжает проходить через нагрузку, сохраняя ее функционирование. Если же причиной перегрузки стало устойчивое короткое замыкание, то нить лампы нагревается, а ее сопротивление увеличивается, ограничивая ток короткого замыкания. Однако из-за того, что сопротивление увеличивается лишь в несколько раз, ограничение тока в раде случаев оказывается недостаточным, и возможен перегрев проводов. Поэтому при проектировании устройств электропитания средств автоматики и телемеханики ограничение тока как метод защиты применяют лишь в специфических устройствах, например в устройствах, питающих рельсовые цепи, а ограничителями служат, как правило, линейные сопротивления, так как они проще и надежнее.
Отключение перегруженной цепи с последующим автоматическим включением применяют в высоковольтных линиях электроснабжения устройств автоматики, телемеханики и связи. При этом токовую отсечку и максимальную токовую защиту используют в сочетании с автоматическим включением резервного источника питания и автоматическим повторным включением (АПВ). По принципу действия токовая отсечка и максимальная токовая защита одинаковы и срабатывают от превышения тока нагрузки над ycraновленным порогом токовых реле. Разница состоит в методе селекции. Токовая отсечка реагирует на ограниченную зону высоковольтной линии, в пределах которой может произойти короткое замыкание, и отсекает ее от смежной зоны при коротком замыкании.
Максимальная токовая защита в качестве порога имеет ток, несколько превышающий максимальный рабочий ток, а селективное отключение ближайшей к месту перегрузки зоны осуществляется с помощью выдержки времени (чем ближе находится выключатель к месту перегрузки, тем меньше выдержка времени). Ступени выдержки времени обычно принимают равными 0,4...0,6 с.
В низковольтных цепях питания сигнальных установок автоблокировки предусматривают автоматические выключатели многократного действия типа АВМ (рис. 1), имеющие в качестве рабочего органа биметаллическую термопластину, снабженную подпружиненным контактным размыкателем. При протекании тока перегрузки через биметаллическую пластину последняя изгибается и полукольцевой пружиной резко размыкает контакты, включенные последовательно с нагрузкой. Поскольку перегруженная цепь разрывается этими контактами, ток прекращает протекать через биметаллическую термопластину. Остывая, она принимает первоначальную форму и полукольцевой пружиной замыкает контакт. Время размыкания контактов автоматического выключателя многократного действия типа ABM-1 составляет 2 мин при двукратном номинальном токе и температуре 20 С, а время автоматического обратного включения — 1 мин при той же температуре.
Для зашиты от токовых перегрузок низковольтных цепей питания наиболее широко применяют предохранители с плавкими вставками (рис. 2), которые отключают перегруженную цепь без последующего автоматического восстановления, а также предохранители с подпружиненными контактами и магнитными или тепловыми расцепителями.
В качестве характеристик плавких предохранителей обычно указывают номинальный и предельный токи, а также ток плавления. Током плавления принято считать такой, который расплавляет плавкую вставку в течение 10 с. При предельном токе плавкая вставка не должна расплавляться в течение 20 мин. Необходимо, чтобы номинальный ток не приводил к плавлению вставки в течение неограниченного времени. Например, предохранитель на номинальный ток 1 А имеет предельный ток 1,5 А и ток плавления 2...2,3 А.
На поминальный ток до 0,4 А включительно в качестве плавких вставок предохранителей используют константановую проволоку, а на большие токи — красно-медную проволоку. Предохранители на номинальный ток до 5 А изготавливают с контролем перегорания (при пере горании вставки подпружиненный стержень опускается и замыкает сигнальные контакты). Чтобы контролировать перегорание предохранителей на большие номинальные токи, параллельно им подключают предохранители на I А с плавкими вставками из константановой проволоки и контролем перегорания.
Рис. 1. Выключатель автоматический многократного действия типа АВМ-1
|
В устройствах связи применяют линейные трубчатые теплоемкие плавкие предохранители тина СН или СК (С спиральная нить, Н — ножевой контакт, К — конический контакт). Они представляют собой стеклянную трубку (рис. 3), заканчивающуюся ножевыми или коническими контактами, внутри которой помешены две спиральные пружины из стальной проволоки диаметром 0,4 мм, спаянные между собой легкоплавким припоем. Другие два конца пружин под натягом припаяны к контактам на концах стеклянной трубки. При прохождении через предохранитель предельного тока припой расплавляется, и спиральные пружины силой упругости разрывают перегруженную цепь. Время расплавления припоя зависит от величины тока. Например, для предохранителя типа СН-1 на номинальный ток 1 А ток 2 А вызывает расплавление припоя через 20 с, а ток 6 А расплавляет припой через 2 с.
Рис. 2. Предохранитель банановый на цоколе с контролем перегорании типа 20876М
|
Рис. 3. Линейные трубчатые теплоемкие предохранители а — с ножевыми (СН-1) наконечниками; б— с коническими (СК-1,0-54)
|
Нелинейная функция времени срабатывания от тока любого плавкого предохранителя обусловлена тепловой инерционностью расплавления плавкой вставки и является, как правило, его положительным свойством, поскольку позволяет отделить кратковременные перегрузки от мощных импульсных помех, при которых плавкая вставка предохранителя должна оставаться целой, от длительных перегрузок (например, коротких замыканий), при которых предохранитель должен сработать. Путем подбора материала плавкой вставки, ее конструкции можно целенаправленно управлять тепловой инерционностью предохранителя, получая заданную селективность отключения перегруженных цепей.
Основная часть коротких замыканий происходит в цепях напряжением 220 В по причине выхода из строя аппаратуры, прожога плат реле и клеммных колодок, феррорезонансных явлений в сети. Особенно часто это происходит в напольных устройствах. В то же время на основании анализа отказов срабатывание устройств защиты в низковольтных цепях вызывают в основном кратковременные перегрузки или неисправности самих предохранителей.
Самовосстанавливающиеся предохранители. Разработаны и представлены на рынке восстанавливающеся предохранители многоразового действия на основе полимеров с положительным нелинейным температурным коэффи циентом (ПТК) (при увеличении температуры материала возрастает электрическое сопротивление). Как и традиционные, такие предохранители срабатывают при превышении величины тока в цепи относительно некоторого выбранного номинального значения. Но в отличие от традиционных предохранителей, которые используются только один раз с последующей заменой, восстанавливающиеся предохранители при определенных условиях автоматически восстанавливают свои свойства, сокращая таким образом время отключения потребителя, а также расходы на иx обслуживание и ремонт. Будучи полимерными устройствами, восстанавливающиеся предохранители, кроме этого, имеют низкое сопротивление, лучшую прочность при механических ударах и вибрации, обеспечивают надежную защиту в широком диапазоне условий применения.
Первые элементы самовосстанавливающихся предохранителей появились в 1980 г. и предназначались для защиты никель-кадмиевых аккумуляторных батарей от повреждения большими токами заряда/разряда.
Рассмотрим устройство и принципы работы этих предохранителей.
|
Сопротивление материалов, подверженных фазовому превращению, может очень резко возрастать (в диапазоне от 104 до 107 Ом) в узком диапазоне температур. Такая характеристика свойственна определенным типам токопроводящих полимеров. Полимерный восстанавливающийся предохранитель с ПТК включается в электрическую цепь последовательно с нагрузкой. Он обеспечивает защиту цепи, переходя из состояния с низким в состояние с высоким сопротивлением, таким образом реагируя на перегрузку по току. Этот процесс называется срабатыванием предохранителя. Такое изменение состояния элемента - результат быстрого повышения температуры токопроводящего полимера прибора, обусловленного внутренней теплогенерацией при нагреве. Полимерный материал прибора с ПТК представляя собой кристаллическую решетку органического полимера (полиэтилена), содержащую рассеянные токопроводяшие частицы сажи в виде цепочек. Резкое повышение сопротивления обусловлено фазовым превращением в материале.
В нормальном режиме работы, т.е. в холодном состоянии, материал является в основном кристаллическим, причем его токопроводяшие частицы как бы втиснуты в аморфные области между мелкими кристаллами. Тепло, генерируемое элементом, и тепло, рассеиваемое в окружающей среде, находятся в равновесии при относительно низкой температуре.
При возрастании тока, проходящего через элемент, и сохранении постоянной температуры окружающей среды тепло, генерируемое элементом, увеличивается. Возрастает также и температура элемента. Однако, если увеличение тока не слишком велико, вся генерируемая теплота может быть рассеяна в окружающей среде и элемент останется в устойчивом состоянии при более высокой температуре. Если возрастает не ток, а температура окружающей среды, элемент также стабилизируется в устойчивом состоянии при более высокой температуре.
При дальнейшем увеличении тока или повышении температуры окружающей среды или при одновременном воздействии этих факторов температура элемента увеличивается. При любом дальнейшем увеличении тока или повышении температуры окружающей среды скорость генерации тепла в элементе превышает возможную скорость его рассеивания в окружающей среде. При этом возрастает объем аморфной фазы и разрушается структура токопроводящих цепочек, что вызывает резкое увеличение сопротивления элемента. На этой стадии даже небольшое изменение температуры приводит к очень значительному (до 107 Ом) увеличению сопротивления, что. в свою очередь, вызывает соответствующее снижение тока и защиту электрической цепи от повреждения.
В течение периода, пока приложенное напряжение достаточно высоко, элемент остается в активном состоянии (т.е. обеспечивает защиту), причем температура элемента достигает предельного значения 120... 130 °С.
При снижении напряжения до уровня, при котором количество теплоты, генерируемое элементом, и теплоты, рассеиваемой в окружающей среде, уже не компенсируют друг друга, происходит разрушение полимерных изолирующих участков, и элемент переключается в исходное состояние (восстанавливается). При последующих срабатываниях рабочее сопротивление предохранителя равно исходному рабочему сопротивлению. Максимальное время возврата в состояние с низким сопротивлением от сотых долей секунды до нескольких секунд, в зависимости от величины тока, вызвавшего срабатывание предохранителя. Число срабатываний восстанавливающихся предохранителей возможно до 3000 циклов. Предохранители рассчитаны на применение в диапазоне температур от -40 °С до +85 °С и при относительной влажност и окружающей среды до 95 %. Их можно использовать в цепях переменного тока с частотой до 100 МГц.
Общий внешний вид полимерного восстанавливающегося предохранителя корпорации Raychem (для
типа RUE500 на номинальный ток 5 А и напряжение 30 В; С =14 мм, В=25 мм) показан на рисунке, а основные рабочие характеристики предохранителей этой фирмы приведены в табл. 1.
Из принципа работы восстанавливающихся предохранителей следует, что для восстановления рабочего состояния необходимо принудительно снижать ток через них путем кратковременного отключения либо шунтирования приборов, nocколькy после устранения перегрузки сопротивление нагрузки защищаемых цепей, как правило, ниже, чем это необходимо для автоматического процесса восстановления.
Таблица 1
Рабочие характеристики предохранителей фирмы Raychem
|