Поясните что такое металлургический эффект и для чего он применяется
Металлургический эффект
Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Полученный таким образом раствор обладает иными характеристиками, чем исходные материалы: большим электрическим сопротивлением и низкой температурой плавления.
Для ускорения плавления вставки при перегрузках и снижения общей температуры всей плавкой вставки при ее плавлении напаиваются небольшие оловянные шарики. При токах перегрузки, когда температура вставки достигает температуры плавления олова, шарик расплавляется и растворяет часть металла, на котором он напаян. Происходят местное увеличение сопротивления вставки и снижение температуры плавления металла в этом месте. Вставка перегорает в том месте, где был наплавлен оловянный шарик. При этом температура всей вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена. В номинальном режиме олово практически не влияет на температуру нагрева вставки. Такой способ получения требуемой время-токовой характеристики применяется в предохранителях на номинальный ток до 100А. При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается и практически не сказывается.
Рассмотренные способы ускоренного перегорания вставки при токах перегрузки и коротких замыканиях приводят существенному токоограничивающему эффекту. Плавкая вставка перегорает много раньше, чем ток в цепи короткого замыкания успевает достигнуть максимального значения. Разрушительное термическое и электродинамическое действие тока снижается пропорционально 
.
Наибольший ток, который плавкий предохранитель может отключить без каких-либо повреждений или деформаций, препятствующих его исправной дальнейшей работе после смены плавкой вставки, называют предельным током отключения предохранителя или током ПКС.
Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно быть осуществлено максимально быстро. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя и принятого способа дугогашения. В современных предохранителях с закрытыми патронами без наполнителя дуга гасится за счет высокого давления, возникающего в патроне вследствие появления дуги, а при наличии наполнителя – за счет интенсивного охлаждения дуги наполнителем и высокого давления, вызываемого дугой в узких каналах наполнителя. При этом гашение дуги происходит в ограниченном объеме патрона предохранителя. За пределы патрона не выбрасываются ни пламя дуги, ни ионизированные газы. Совершенная система дугогашения совместно с токоограничивающим действием вставки приводит к высокой отключающей способности плавких предохранителей (до 200 кА).
Дата добавления: 2015-05-21 ; просмотров: 3027 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Принцип работы и устройство предохранителя
История использования электричества насчитывает уже более века. Одновременно с появлением в повседневной жизни такого «невидимого помощника» встал вопрос об организации защиты электропроводки и электроустановок от различных аварийных и ненормальных режимов работы. Одними из первых таких устройств защиты стали предохранители.
Развитие начиналось с обычной проволоки из платины, которая применялась в середине 19 века для защиты телеграфного кабеля, до современных предохранителей с отключающей способностью высокого значения. Благодаря своей довольно простой конструкции и надежной работе, в основе которой лежат незыблемые физические законы, плавкие электрические предохранители стали воплощением безопасности в электрических цепях.
Позднее применялись плавкие вставки с легкоплавкими элементами из свинца и олова. В связи с тем, что номинальные токи в настоящее время могут превышать 1000 А, отпала потребность в использовании плавких вставок старого типа. Однако принцип работы сегодняшних предохранителей высокой отключающей способности остался практически неизменным с 1890 года. Именно тогда Мордей В.М. запатентовал первый предохранитель.
Предохранитель встраивается в разрыв электрической цепи. Его основной задачей является пропускание рабочего тока и разрыв электрической цепи при появлении сверхтоков. Различают предохранители низковольтные (до 1 кВ) и высоковольтные (свыше 3 кВ), однако по назначению и принципу действия они полностью совпадают. Также выделяют силовые и быстродействующие предохранители.
Низковольтные предохранители конструктивно представляют собой довольно простое устройство. Токопроводящий элемент (плавкая вставка) под воздействием тока, значение которого выше номинальной величины, нагревается, расплавляется в дугогасящей среде (чаще всего это кварцевый песок SiO2) и испаряется, создавая разрыв в защищаемой электрической цепи.
Изолятор препятствует выходу горячих газов и жидкого металла в окружающую среду. Он изготавливается из высокосортной технической керамики и должен выдерживать при отключении очень высокие температуры и внутреннее давление.
Защитные крышки имеют планки для захвата унифицированными рукоятками для замены плавких вставок низковольтных предохранителей. Вместе с керамическим корпусом они создают взрывонепроницаемую оболочку для коммутационной электрической дуги.
Песок, в свою очередь, важен для ограничения силы тока. Обычно применяется кристаллический кварцевый песок с высокой минералогической и химической чистотой (содержание SiO2 > 99,5%).
Для коммутационной функции важным являются определенный размер кристаллов песка и оптимальное его уплотнение.
Индикатор позволяет быстро находить сгоревшие предохранители. При повышенной жесткости пружины он может служить ударным сигнализатором для приведения в действие микропереключателей или разъединителей.
Припой сдвигает характеристическую кривую к меньшим значениям тока плавления. Он подбирается в соответствии с материалом плавкого элемента и должен находиться в нужном количестве и в нужном месте.
Контактные ножи механически и электрически соединяют плавкую вставку с держателем-основанием предохранителя. Они изготавливаются из меди или медного сплава с покрытием из олова или серебра.
Традиционными материалами, из которых изготовляются плавкие вставки это: медь, цинк, серебро, обладающие необходимым удельным электрическим сопротивлением.
Основным преимуществом при использовании предохранителя с плавкой вставкой является эффект токоограничения. То есть время расплавления плавкой вставки является достаточно малым и, как следствие, ток короткого замыкания не успевает достигнуть своего максимального значения. График показывающий явление токоограничения представлен ниже.
Основным параметром плавкой вставки является ее времятоковая характеристика. С ее помощью можно определить время отключения защищаемой линии при известном сверхтоке. График демонстрирующий данную зависимость представлен ниже.
Очевидно, что при номинальном уровне тока или меньшем его значении плавкая вставка должна проводить электричество неограниченное количество времени.
Для ускорения времени работы плавкой вставки применяют следующие технические решения:
Металлургический эффект заключается в следующем: отдельные легкоплавкие металлы (например, свинец и олово) способны растворять в своей структуре более тугоплавкие металлы, такие как медь и серебро.
Для этого на медные проволочки наносятся капли олова. При нагреве сверхтоком оловянные капли быстро расплавляются, расплавляя при этом и часть проволок. Далее используется механизм работы плавкой вставки со сниженным сечением в определенных местах.
Основной причиной продолжающегося роста числа пользователей плавких предохранителей помимо крайне выгодного соотношения цены и результата, а также незначительной занимаемой площади является их общеизвестная надежность, которая характеризует предохранители как «последнюю линию защиты». Только сертифицированные предохранители с плавкими вставками, которые соответствуют заявленным характеристикам, позволят Вам избежать пожаров, возникающих в электропроводке и электроустановках.
Плавкая вставка. Устройство и принцип работы.
Плавкая вставка. Устройство и принцип работы
ПЛАВКАЯ ВСТАВКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ.
Если говорить нормативным языком, то согласно пункту 2.1.1 ГОСТ Р МЭК 60269-1-2010 имеется следующее определение:
“Плавкий предохранитель (плавкая вставка) – это устройство, которое за счет расплавления одного или нескольких своих элементов, имеющих определенную конструкцию и размеры, размыкает цепь, в которую оно включено, отключая ток, превышающий заданное значение в течение определенного времени.”
От себя бы хотел добавить, плавкий предохранитель – это защитное устройство, конструктивно состоящий из плавкой вставки и держателя плавкой вставки (или предохранительного разъединителя).
УСТРОЙСТВО ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ
Все плавкие предохранители, изготавливаемые в настоящий момент, состоят из следующих конструктивных элементов:
Корпусы плавких вставок с небольшими номинальными токами выполняются из стекла. Как правило речь идет о привычных нам цилидрических предохранителях.
Материалом корпуса силовых плавких вставок как правило является фарфор, стеатит или корундо-муллитовая керамика.
На корпусе указываются характеристики плавкой вставки, такие как номинальный ток, напряжение, характеристика, габарит и отключающая способность.
Корпусы плавких вставок с небольшими номинальными токами выполняются из стекла. Как правило речь идет о привычных нам цилидрических предохранителях.
Материалом корпуса силовых плавких вставок как правило является фарфор, стеатит или корундо-муллитовая керамика.
На корпусе указываются характеристики плавкой вставки, такие как номинальный ток, напряжение, характеристика, габарит и отключающая способность.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ
Как мы уже говорили ранее, защитным компонентом в составе плавкой вставки является плавкий элемент, находящийся в дугогасящем корпусе, например.
Плавкий элементы выполняется в виде тонкой проволоки переменного сечения или пластины с вырезами. В случае пластины, вырезы необходимы для уменьшения площади проводящего ток сечения элемента.
В номинальном режиме работы избыточные тепловыделения из зауженных мест равномерно рассеиваются по всей площади плавкого элемента. За счет этого не происходит плавление. Но в случае перегрузки или короткого замыкания нагрев происходит настолько интенсивно, что избыточная теплота не успевает перераспределиться и плавкий элемент расплавляется в суженных местах.
В быстродействующих плавких вставках, защитный элемент имеет более сложную конструкцию. За счет специального конструктива разрыв сети происходит за счет действия электродинамических сил. Для ускорения срабатывания также может применяться натянутая пружина и “металлургический эффект”.
Что такое металлургический эффект?
Металлургический эффект — явление в металлах, заключающееся в способности растворения некоторых относительно тугоплавких металлов (меди, серебра и др.) во многих расплавленных легкоплавких металлах (олове, свинце и др.), при этом получающийся сплав обладает иными физическими характеристиками, чем исходные компоненты. (источник — википедия)
В случае применения металлургического эффекта плавкий элемент выполняется из нескольких проволок, располагаемых параллельно. Проволоки изготавливаются из тугоплавкого металла, например, из меди. На проволоки наплавляются шарики из легкоплавкого металла, например, из олова.
В номинальных режимах работы, ток протекает через плавкий элемент, не вызывая расплавления шариков. При перегрузке и коротком замыкании при целевом значении тока шарик расплавляется, растворяя медь. Этот процесс приводит к местному увеличению сопротивления и, соответственно, увеличению температуры проводника в месте расположения шарика. Таким образом, плавкий элемент в этих местах разрывается гораздо раньше, чем ток короткого замыкания достигнет установившегося значения (в среднем в 2-5 раз меньше). Данный факт значительно нивелирует губительное для электрического (особенно, полупроводникового) оборудования действие электродинамических сил.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Металлургический эффект
Металлургический эффект заключается в том, что при нагреве плавкой вставки шарики олова, находящиеся на ее медных проволоках, обладающего более низкой температурой плавления, чем медь, расплавляются раньше и, проникая в материал проволоки вставки, снижают температуру ее плавления. [1]
Явление металлургического эффекта имеет место при известной длительности нагревания плавкой вставки в процессе ее перегорания, что наблюдается при перегрузке. При малой длительности нагревания, в случае короткого замыкания, металлургический эффект не успевает оказать своего действия, так как температуры медной вставки и шарика в момент короткого замыкания будут мало отличаться друг от друга. [2]
Для создания металлургического эффекта посредине плавкой вставки из тугоплавкого металла ( меди) напаивают шарик из легкоплавкого металла ( олова, сплава олова с кадмием и др.), который служит металлическим растворителем меди. При нагреве плавкой вставки до температуры плавления шарика, последний расплавляется и растворяет в себе тугоплавкий металл. В результате этого вставка в том месте, где помещен шарик, разрушается и быстро перегорает. Это перегорание происходит при наличии небольшой перегрузки и относительно небольшой температуры, что предохраняет контакты предохранителя от перегрева. Чтобы достигнуть большего эффекта от применения напаянного на плавкую вставку шарика, необходимо плавкую вставку осуществить из ряда тонких параллельных ветвей проволок. [3]
При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается. [7]
§94. Основы работы плавких предохранителей
Плавкие предохранители широко применяют в электротехнических установках для защиты электрооборудования от токов перегрузки и коротких замыканий. Это аппараты однократного действия, требующие замены плавкого элемента после каждого срабатывания. При токах, несущественно превышающих номинальное значение, нагрев вставки имеет установившийся характер, при котором все выделяемое в ней тепло отдается в окружающую среду. При этом, кроме вставки, приблизительно до этой же температуры нагреваются все элементы предохранителя. Температура нагрева при этом такова, что плавкая вставка не расплавляется.
В аварийном режиме при быстром и значительном увеличении тока, проходящего через плавкий элемент, последний плавится, разрывая электрическую цепь.
Плавление вставки и разрыв тока должны произойти за возможно более короткое время и при небольших кратностях аварийного тока относительно номинального значения. Резкое сокращение времени плавления достигается применением специальной формы плавкой вставки либо использованием металлургического эффекта.
Плавкую вставку выполняют в виде пластины с вырезами, уменьшающими площадь ее сечения (рис. 319) на отдельных участках. На этих суженных перешейках выделяется больше тепла, чем на широких частях, из-за повышения сопротивления. В нормальном режиме работы избыточное тепло вследствие теплопроводности материала вставки успевает распространиться к более широким частям и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках нагрев суженных участков идет быстрее и тепло не успевает отводиться к широким участкам. В результате температура перешейков быстро достигает значения температуры плавления, что приводит к разрыву цепи.
Быстродействующие плавкие предохранители имеют несколько перешейков, чередующихся с широкими частями, а вставка состоит из нескольких лент фольги, включенных параллельно. При коротких замыканиях нагрев перешейков происходит настолько интенсивно, что практически отводом тепла от них можно пренебречь, и одновременно перегорают все или несколько перешейков.
Рис. 319. Формы плавких вставок
Рис. 320. Время-токовая характеристика плавкого предохранителя (а) и кривая изменения тока при отключении аварийного тока плавким предохранителем (б)
Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Указанное явление используется в предохранителях на небольшие токи со вставками из ряда параллельных проволок, на которые напаяны небольшие оловянные шарики. При токах перегрузки, когда температура проволок вставки достигает температуры плавления олова, шарик расплавляется и растворяет часть металла, на который он напаян. Вставка перегорает в этом месте, причем температура всей вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена. В нормальном режиме шарик практически не влияет на температуру нагрева вставки. Такой способ применяют при тонких проводниках вставки и малых диаметрах шариков.
При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается.
Работа предохранителя характеризуется его время-токовой характеристикой и уровнем ограничения тока iогр.
Время-токовая характеристика (рис. 320,а) показывает, за какое время отключит ток плавкий предохранитель при данной кратности проходящего через него тока по отношению к номинальному значению, т. е. характеризует его быстродействие в определенных условиях. Так, при номинальных значениях тока (I/Iном = 1) предохранитель не срабатывает, а при больших кратностях тока К/Kном отключает цепь за малое время tоткл.
Действие плавкого предохранителя поясняется рис. 320,б. Ток в защищаемой цепи ограничивается значительно меньшим значением ioгр, чем без предохранителя (показано на рисунке штриховой линией).
Отключение аварийного тока плавким предохранителем характеризуется двумя зонами: плавления и гашения дуги. Зона плавления представляет собой отрезок времени от начала нарастания аварийного тока до образования электрической дуги (интервал времени 0 — tдг). Образование электрической дуги определяет начало ограничения аварийного тока.
Предохранители выбирают в зависимости от напряжения установки, где они должны эксплуатироваться. Номинальный ток плавкой вставки выбирают по наибольшему току нагрузки с учетом перегрузок, которые допускает предохранитель без плавления.