Siguranţe fuzibile

7/16/2019 Siguranţe fuzibile

http://slidepdf.com/reader/full/sigurante-fuzibile-563388f232e83 1/16

Universitatea OradeaFacultatea de Inginerie ElectricaSi Tehnologia InformatieiSpecializare Electromecanica

REFERAT

Sigurante Fuzibile

Coordonator sef de lucrare BEJUSCA MARIUSProf. dr.ing. Claudia Stasac

Oradea 2009



Cuprins

1 .Utilizare

2. Curentul si durata de topire

3. Supratensiunea de comutatie

4. Efectcul limitator si selectivitatea

5. Indicati pentru proiectare

6. Constructia Sigurantei fuzibile

7. Concluzii



Siguranţe fuzibile

Siguranţa fuzibilă este un aparat de comutaţie a cărui funcţie este de a deschide uncircuit străbătut de un curent care depăşeşte o valoare dată, prin fuziunea unuia sau maimultor elemente dimensionate în acest scop.

Siguranţa fuzibilă are funcţia importantă de a limita ca amplitudine şi duratăcurenţii de scurtcircuit şi ca urmare de a reduce apreciabil efectele termic şielectrodinamic corespunzătoare.

1.Utilizare

Folosirea siguranţelor fuzibile în instalaţiile de înaltă tensiune are o bazăeconomică întrucît siguranţa fuzibilă este un aparat simplu, care se poate uzina la un preţ

de cost redus, şi care poate înlocui în unele cazuri întreruptoarele de putere, aparate maicostisitoare. Siguranţele fuzibile sînt utilizate la protecţia transformatoarelor de măsurăde tensiune împotriva scurtcircuitelor ce pot apărea pe partea de joasă tensiune, după cumse arată în figura 1. De asemenea, posturile de transformare de mică putere (25—50kVA) montate pe stilpi pentru electrificarea satelor sînt protejate cu siguranţe fuzibile pe partea de înaltă tensiune (15 ÷ 20 kV) ca în figura 2. In prezent există tendinţa de aeconomisi aparatajul greu de comutaţie, cum sînt întreruptoarele cu siguranţe fuzibile pla-sate pe un cuţit izolat, deci care joacă şi rolul de separator ca în schema din figura 3.



Astfel de siguranţe fuzibile protejează transformatoare de putere de 240 kVA din posturile de transformare ale întreprinderilor industriale.

In mod normal, fiecare transformator necesită un întreruptor şi un separator pentrua se conecta la barele de înaltă tensiune.

Dispoziţia echipamentului din figura 3 permite utilizarea unui singur reductor decurent pentru cele două transformatoare şi ca urmare se foloseşte cîte un singur echipament pentru înregistrarea energiilor activă şi reactivă.

2. Curentul şi durata de topire

La siguranţele de înaltă tensiune moderne firul fuzibil se află înglobat într-o masăde nisip de cuarţ astfel încît stingerea arcului electric este determinată de preluareacăldurii de către granulele de nisip. Mai trebuie observat că din momentul în care firulajunge în stare lichidă, masa de lichid nu mai păstrează forma geometrică a firului, fiindsupusă deformării cauzate de forţele electrodinamice în bucla parcursă de curent, şi deforţele elec-trodinamice datorite curenţilor filiformi în masa de lichid.

Procesul complex al topirii fuzibilului sub acţiunea curentului de scurtcircuit se poate schematiza ca în figura 4. Pe durata t1 are loc încălzirea firului pînă la temperatura

1θ ; pe durata t2-t1 materialul se topeşte în întregime iar temperatura 1θ se conservă; pe

durata t3-t2 lichidul este încălzit pînă la temperatura de vaporizare 2θ , după care ar urmateoretic formarea arcului electric. în realitate arcul electric se formează mai devreme între picăturile de metal lichid, ca urmare a existenţei forţelor electrodinamice şi de tensiunesuperficială a lichidului.



Se poate calcula cu exactitate durata t1 şi curentul i1 la care începe fuziunea pecurba ‘a’ de creştere a curentului, ca şi curentul i2, la care s-a terminat topirea metaluluietc. numai dacă se face ipoteza că se păstrează forma geometrică a firului în stare lichidă,ceea ce este însă puţin probabil. Procesul de topire a fuzibilului se studiază pe etape.Timpul de fuziune (t2) a firului sub acţiunea curenţilor de scurtcircuit este de -ordinul 1

—5 ms şi deci se poate admite că, într-un interval de timp atat de scurt, întreaga cantitatede căldură dezvoltată în fir prin efect Joule este utilizată la ridicarea conţinutului decăldură a firului.

Evoluţia în intervalul 0—t1 Se scrie că prin trecerea curentului i, în intervalul de timp dt,temperatura firului a crescut cu θ d , încălzirea firului la t=0 fiind nulă:

θ lAd cdt Ri 1

2= sau

θ θ α lAd cdt i

A

l P

R 1

2

20 )1( =+

unde s-a notat cu: p20 — rezistivitatea materialului firului la 20°C;

Rα — coeficientul de temperatură al rezistivităţii;

1c — căldura specifică volumică în stare solidă;A — aria secţiunii transversale a firului;



θ — încălzirea firului.

Din relaţia precedentă se obţine succesiv:

)11ln(1 20

1

1

020

210 θ α

θ α

θ R

t

t

P c

Rd

P cdt J +=+=∫ ∫

(7.106)

Se observă că primul termen reprezintă integrala în timp a pătratului densităţii de

curent, iar termenul al doilea reprezintă o constantă de material, întrucît c, R P α ,20 si θ

sunt bine stabilite pentru un material dat. Astfel relaţia (7.106) se poate scrie sub forma: 1

2 K dt j = (7.114)unde K1 se mai numeşte şi constanta lui Meyer.

3. Supratensiunea de comutaţie

In figura 6 se arată schematic construcţia unui suport ceramic bobinat al siguranţeifuzibile. Pe un suport ceramic din şamotă 1 se bobinează unul sau mai multe fire fuzibile3 din argint. în acest ultim caz firele sînt conectate în paralel. La extremităţi se execută

bandajele 2 în fir de cupru şi se lipesc clemele 4. Acest ansamblu se află într-un tub de porţelan plin cu nisip de cuarţ (Si02). în acest mod firele de argint iau contact cugranulele de nisip.Funcţionarea siguranţei limitatoare de curent se bazează pe formarea unei omizi dematerial sinterizat provenit din granulele de nisip sub acţiunea căldurii arcului electricdupă topirea şi vaporizarea firului fuzibil. Această omidă, conductoare electric, are orezistenţă care depinde de gradul său de răcire şi preia curentul de scurtcircuit limitîndul.



Curentul cel mai mare în omidă este curentul de fuziune al firului metalic. Acestcurent este determinant în ceea ce priveşte căldura de formare a omizii şi deci rezistenţaelectrică a omizii. Oscilograma tipică a deconectării unui circuit cu ajutorul siguranţei

fuzibile este indicată în figura 7 a.

Curentul de scurtcircuit este stabilit în condiţia 2

π ψ ϕ α =−=

.In acest cazvaloarea curentului de scurtcircuit este maximă, iar expresia lui este de forma:

)cos1()cos(^^

t I t e I i T

t

ω ω −≅−=

−

Pină în momentul t2 al topirii curentul urmăreşte această relaţie. în momentul t2 altopirii, deci al apariţiei rezistenţei R0 a omizii de material sinterizat, curentul decurgedupă curba i0. Se poate considera că rezistenţa R0 este constantă şi în acest caz dupătimpul t2 este valabil circuitul echivalent din figura 7 b. Tensiunea sursei este de forma us

^

sin t U ω = . Ca urmare a variaţiei bruşte de curent în momentul t2 la bornele siguranţeifuzibile, respectiv a rezistenţei R0 care reprezintă rezistenţa materialului sinterizat nuapare tensiunea reţelei u, ci tensiunea umax.

Curentul în rezistenţa R0 descreşte după o funcţie exponenţială de forma:

L

R

eii

0

20

−

≈ (7.125)

iar tensiunea la bornele rezistenţei R0 este:

t L

R

f ei Ru

0

0

−

≈ (7.126)Expresia (7.125) este aproximativă, R0 fiind variabil în timp în sensul că, o dată curăcirea omizii, rezistenţa R0 tinde către infinit.



Supratensiunea, adică depăşirea faţă de tensiunea sursei, este:

)()( 0max t ui Rt uU u s f sc −=−=

(7.127)

Din relaţia (7.127) rezultă că supratensiunea creşte în acelaşi sens cu rezistenţaomizii din material sinterizat şi cu valoarea curentului de fuziune.De asemeneasupratensiunea creşte în acelaşi sens cu inductivitatea circuitului. De aci rezultă căcerinţele esenţiale pentru construcţia siguranţelor limita-toare sînt: — valoarea curentului de fuziune cît mai redus; — lungimea firului fuzibil cît mai mică, pentru a reduce rezistenţa R0. Reducerealungimii firului fuzibil nu este posibilă sub o limită determinată de tensiunea derestabilire, dar este posibil ca rezistenţa R0 să apară în două sau trei trepte decalate întimp. Pentru a împlini această cerinţă siguranţele de înaltă tensiune moderne seconstruiesc cu secţiune variabilă în figura 8 se indică schematic variaţia diametrului în

lungul firului, precum şi oscilograma tensiunii de restabilire, la patru varianteconstructive [120]: varianta a, cu diametrul constant al firului fuzibil, prezintă cea mai

mare supratensiune, depăşind 2 U n ; varianta d executată sub forma a două trunchiuri decon unite la vîrfuri, reduce în mod neînsemnat supratensiunea; varianta b este realizată cudouă diametre diferite, avînd racorduri conice între cele două diametre de fir. Se constatăcele două vîrfuri de tensiune corespunzător formării, decalat în timp, a două omizi dematerial sinterizat şi deci a apariţiei succesive a rezistenţelor celor două omizi. Caurmare, supratensiunea de comutaţie este mult redusă. In varianta c, în trei diametreracordate după conuri, supratensiunea este redusă la maximum, iar pe oscilogramă se potrecunoaşte momentele la care are loc fuziunea celor trei porţiuni din firul fuzibil.

Valoarea maximă a tensiunii de comutaţie se limitează după VDE 672/57 la 2 nU ^

.

Procesul formării supratensiunii se poate explica pe baza ecuaţiei circuitului din figura 7 b unde în locul rezistenţei R0 se consideră arcul electric de tensiune u. Ecuaţiacorespunzătoare este:



.udt

di Lu s +=

Pe această ecuaţie se consideră trei etape succesive:

Etapa 1, în care i este crescător în timp, iar tensiunea sursei este mai mare decîttensiunea arcului electric, formată din suma tensiunilor de arc electric elementareexistente între picăturile de lichid. Această etapă, cind numărul de picături este mic, iar tensiunea corespunzătoare arderii lor este redusă, se caracterizează prin relaţiile :

pozitivdt

dicu

dt

di Luuuu

dt

di s s ,|;;0 −=>>

Etapa 2, în care i ajunge la valoarea maximă, adică la valoarea limitată.Tensiunea arcului electric creşte realizîndu-se un număr mai mare de arcuri elementare,iar etapa este caracterizată de relaţiile:

uusdt

di== ;0



Etapa 3, în care i este descrescător în timp, iar tensiunea u a arcului electric estemai mare decît tensiunea sursei. Tensiunea suplimentară necesară arderii arcului provinede la inductivitate. Etapa este caracterizată prin relaţiile:

negativdt

di Luu

dt

di s −=< ;0

De aci rezultă că supratensiunea de comutaţie este cu atît mai mare cu cîtinductivitatea reţelei este mai mare, şi că energia arcului electric pe durata fracţiunilor dems, interval în care se produce vîrful de tensiune, se datoreşte energiei înmagazinate încîmpul magnetic al inductivităţii.

4. Efectul limitator şi selectivitatea

Cu cît diametrul firului rezistiv este mai mic cu atît efectul de limitare alcurentului de scurtcircuit este mai pronunţat. Acest efect se recunoaşte în figura 9. Osiguranţă de curent nominal de 10 A limitează un curent de scurtcircuit prezumat de 50

kAef la numai 3 kAmax ; iar o siguranţă de 100 A limitează acelaşi curent de scurtcircuitla 20 kAmax. Limitarea curentului are loc la curenţi de scurtcircuit conform relaţiilor (7.118), (7.119), (7.124).

Numai în cazul suprasarcinii întreruperea are loc după citeva semiperioade şi cuarc electric.

Selectivitatea siguranţelor se recunoaşte după caracteristica de topire, în figura 10sînt date caracteristicile de topire ale seriei normale de siguranţe cu valori nominale între2 A şi 200 A, pînă la timpul de un minut.

Diagramele din figura 10 sînt trasate cu valori medii, stabilite prin mai multeîncercări. La verificări individuale abaterile în. timp ale topirii sînt de ±50% din timpulînscris pe diagramă.



La aşezarea a două siguranţe una după alta în acelaşi circuit, la apariţia curentuluide scurtcircuit este asigurată topirea siguranţei cu valoarea nominală a curentului maimică.

5. Indicaţii pentru proiectare

Condiţiile tehnice principale care se au în vedere la proiectarea unei siguranţe fuzibilc deînaltă tensiune sînt:

- curentul nominal;- tensiunea nominală;- puterea de rupere prezumată ;

- încălzirea firului fuzibil în regim de durată;- încălzirea anvelopei de porţelan;- încălzirea contactelor.

Ţinand seama de aceşti parametri este necesar să se determine, în principal,lungimea firului fuzibil, diametrul unui fir fuzibil, numărul de fire în paralel, în final sedetermină caracteristica de limitare şi caracteristica de protecţie.

Lungimea firului fuzibil este determinată de tensiunea nominală de serviciu.Pentru ca arcul electric să fie stins în nisip de cuarţ, este necesar ca intensitatea cîmpuluielectric să fie cel puţin Ea = 350 V/cm, arcul electric urmărind traseul firului fuzibil.

Limitînd valoarea supratensiunii la 2 nU

^

rezultă lungimea l a unui fir:

a E

nU l

^

2= (7.128)



După încercările efectuate în cadrul VEI [117] lungimea firului mai poate fideterminată cu relaţia verificată experimental:

l = (160 + 70 Un) mm, (7.129)

unde Un în kV reprezintă valoarea efectivă a tensiunii nominale.

Numărul de fire se determină astfel ca diametrul unui fir să fie în general deordinul 0,2 ÷ 0,4 mm, ceea ce permite o cedare de căldură mai bună. Astfel pentru uncurent nominal de 40 A se admit 4—5 fire în paralel.

Diametrul unui fir fuzibil din argint pentru un fir aşezat în aer liniştit se determină prin relaţia stabilită experimental de Baxter [21]:

49.103,253,19 d d I mt +=

(7.130)Ulterior, Lupaş [136] justifică relaţia lui Baxter 1 printr-o bună apreciere a

coeficienţilor de transmisie ai căldurii de la fir în aer prin radiaţie şi convecţie, unde Imtexprimat în A este curentul minim de topire, adică cel mai mic curent care producetopirea fuzibilului, după un timp foarte mare, iar d este diametrul firului în mm. în cazul

firului spiralizat aşezat în nisip de cuarţ, transmisia căldurii nu mai are loc prin convecţie,ci prin conductibilitate şi radiaţie, ţinînd seama că între granulele de nisip mai existăinterstiţii cu aer. Relaţia lui Baxter modificată pentru a face faţă noilor condiţii este:

5.19,386,30 d d I

mt +≈ (7.131)

Curentul nominal al unui fir este ceva mai mic decit curentul minim de topire :

nit I k I =min (7.132)unde coeficientul kt = 1,3 ÷ 2.

Temperatura cea mai ridicată a firului şi a suportului ceramic se admiteC o165max =θ . Puterea specifică cedată de anvelopa de porţelan se admite

]16[)15,01,0(2cm

W p s ÷= . Din cauza dezvoltării construcţiei după direcţia

axială se neglijează căldura transmisă de părţile frontale ale siguranţei.

In regim staţionar căldura dezvoltată de firele de argint este transmisă integral

prin suprafaţa exterioară a anvelopei de porţelan, adică:∑=

+==n

i

ni s I Ai

li R P m DLp P

1

2

20 )1( θ α π (7.133)

unde s-a notat cu:

D — diametrul exterior al anvelopei de porţelan;L — lungimea anvelopei de porţelan; ps — puterea specifică ;



m — numărul firelor în paralel;n — numărul segmentelor de fir de diametru diferit;

Rα — coeficientul de temperatură al rezistivităţii;

iθ — încălzirea unui segment de fir;Ai — aria secţiunii transversale a unui segment;

Li — lungimea unui segment.

Încălzirea 2θ a anvelopei la suprafaţa periferică se determină dacă se cunoaşte

coeficientul global g α de transmisie al căldurii la suprafaţa anvelopei, adică :

2θ π α DL P g = (7.134)

unde se poate lua [120] 20/11 CmW g =

α .

Temperatura la suprafaţa anvelopei rezultă ma s θ θ θ += 2 , unde temperatura

mediului ambiant .350C m =θ

Variaţia de secţiune în lungul firului nu trebuie să fie excesivă, deoarece se

urmăreşte ca firul să se topească în întregime şi la valori mai mici ale curentului, în acestscop se recomandă ca raportul ariilor secţiunilor transversale să nu depăşească 1,5.

Puterea de rupere a siguranţelor fuzibile se indică în MVA şi este o mărime prezumată care reprezintă puterea de scurtcircuit trifazat: scUI S 3= (7.135)

In punctul de instalare al fuzibilului, în ipoteza că nu s-ar produce limitareacurentului. Puterea de rupere a siguranţelor de înaltă tensiune este cuprinsă între 200 şi1000 MVA pentru tensiuni nominale cuprinse între 10 şi 30 kV.

6. Construcţia siguranţei fuzibile

In figura 11 se reprezintă desenul unei siguranţe fuzibile de 35 kV; 40 A elaboratăde Institutul de cercetări şi proiectări electrotehnice.

In anvelopa 1 de porţelan se află suportul ceramic 2 pe care se bobinează, după oelice, firele fuzibile. La o extremitate a suportului 2 se plasează dispozitivul de



semnalizare a funcţionării siguranţei. în piesa 3 se fixează, prin presare ondulată, capătulunui fir de alamă 4 şi capătul unui fir de fier tensionat cu resortul 5. Curentul derivat prinfirul de alamă este neînsemnat în raport cu curentul care trece prin conductoarele deargint. După topirea firelor de argint şi anularea practică a curentului, se va topi şi firul dealamă, apărînd arcul electric în interiorul suportului ceramic. Apoi se topeşte firul de fier eliberînd indicatorul 6 de semnalizare.

Observaţie. în afară de siguranţele de tip limitator, realizate cu secţiune variabilăîn două sau trei trepte în lungul firului se mai construiesc siguranţe limitatoare cusecţiune constantă a firului, iar acesta este prevăzut cu mici cilindri din material ceramic,în zonele în care se iniţiază topirea. Siguranţele limitatoare de înaltă tensiune construite pe baza efectului metalurgic, adică prin majorarea secţiunii, în anumite puncte, cuajutorul unor picături de aliaj uşor fuzibil (la circa 270°C) au o răspîndire redusă şi sînt pecale de a fi eliminate din fabricaţie. Efectul metalurgic este utilizat cu succes laasigurarea caracteristicii de protecţie (suprasarcini) la siguranţele de mare putere şi joasătensiune.

Pe lîngă siguranţele fuzibile limitatoare, în afara continentului european, se mai

construiesc şi siguranţe fuzibile de tip „cu expulzie" care nu sînt strict limitatoare şi joacărolul unor întreruptoare. La acestea, arcul electric se stinge după cîteva perioade.Stingerea are loc într-o incintă în care se creează gaze, cu posibilitatea de expulzare aacestora. Valoarea de vîrf a curentului de scurtcircuit este întrucîtva diminuată prinformarea unui arc electric lung cu rezistenţă mare.



Concluzii

Sigurantele fuzibile au rol de protectie , protejeaza echipamentul la curenti descurt.Deschide un circuit strabatut de un curent care depaseste o valoare data , prinfuziunea unuia sau mai multor elemente dimensionate in acest scop.

Cand trece un curent de scurt se limiteaza amplitudinea si durata acestuia.Daca functioneaza la suprasarcina de conserva amplitudinea si se limiteaza doar

durata.

In instalatiile de inalta tensiune are o baza economica,pret redus,poate inlocui inunele cazuri intreruptoare de putere ,aparate mai costisitoare.Formata din :

- soclul sigurantei- patronul fuzibil

Soclul asigura legatura acesteia cu restul instalatie.Patronul fuzibil intrerupe circuitul la aparitia curentului de scurtcircuit, prin

topirea firului fuzibil ce intra in componenta patronului.Este format idn

- firul fuzibil Ag, Cu,Pb, staniu- materialul de umplutura (azbest)

Materialul de umplutura :- sustine mecanic firul fuzibil- reduce cantitatea de aer - preia caldura de la arcul electric

Sigurantele fuzibile se impart in doua mari categorii , de inalta si de joasatensiune.



Bibliografie

Gheorghe Hortopan „Aparate Electrice” editura Didactica si pedagogica 1980

Dorel Hoble „Aparate Electrice” Editura Universitatii din Oradea 2002

Documents

Siguranţe fuzibile