Съвременни стопяеми предпазители - част 2

B продължение на статията от бр. 3/2014 на сп. Енерджи ревю в настоящото издание ви представяме особеностите на предпазителите с корпус от фибър и винипласт, изискванията към бързодействащите и свръхбързодействащите предпазители, както и характеристиките на най-новите видове стопяеми предпазители на пазара.

Предпазители с корпус от фибър, винипласт и други

Този тип предпазители принципно не се различават много от другите видове, но имат някои особености например - под действие на високата температура на дъгата фибровата стена на патрона отделя газ, в резултат на което се повишава налягането в патрона и за къс период стига до 4-8 МPа.

Поради увеличеното налягане се повдига волтамперната характеристика на дъгата, което пък спомага тя по-бързо да изгасне. Към този вид предпазители има по-строги изисквания от общопромишлените. При избора също трябва да се отчита нормалният режим и режимът на късо съединение.

Токът през полупроводника (Isem) трябва да бъде равен или по-малък от номиналния ток на вложката (Inv). При пулсиращ ток е добре да се направи консултация с производителя на бързодействащи предпазители (Isem Ј Inv).

Работното напрежение на полупроводника (Usem) трябва да бъде по-ниско или равно на това на вложката (Unv) Usem < Unv. Джауловият интеграл I2t (максималната енергия) на избрания предпазител трябва да е по-ниска от тази на полупроводника I2topv < I2tsem.

Сигурна защита на изправителните диоди се реализира чрез бързодействащи стопяеми предпазители, предвидени на входа на изправителния мост. При използването на предпазители е необходимо пълният Джаулов интеграл на изключване да бъде по-малък от допустимия топлинен еквивалент на защитавания прибор.

За защита на силови изправителни диоди, на преобразуватели със средна и голяма мощност при външни и вътрешни къси съединения широко се използват свръхбързодействащи стопяеми предпазители. Те са най-евтиното средство за защита. Тези предпазители се включват във всяко рамо на моста от страната на променливия ток.

При късо съединение на някой от силовите изправителни диоди изгаря съответният предпазител, но другите рамена на моста остават в работа. При реверсивните преобразуватели с разделно управление се слага и един предпазител да защитава посока "Напред" и един в групата "Назад". При паралелно съединение на изправителни диоди се слага последователно на всеки диод и един на всички изправителни диоди в рамото на моста.

Съвременните бързодействащи стопяеми предпазители имат като правило, по-голям топлинен еквивалент от силовите изправителни диоди при едни и същи стойности на номиналния ток. За да се обезпечи ефективна защита е необходимо да не се натоварват до предел полупроводниковите компоненти, също така е целесъобразно да се свързват в паралел по няколко компонента.

Така се обяснява, как аварийният ток в предпазителя, който е във веригата на повредения диод се увеличава пропорционално на паралелно свързаните диоди. Затова топлинното въздействие на останалите в работа диоди ще бъде по-малко от това на предпазителя, който е във веригата на повредения диод.

При избор на предпазители за IGBT преобразуватели трябва да се ръководим от следните правила:

• Времето за стапяне на вложката в авариен режим трябва да бъде не повече от 1/6 от периода на честотата на преобразувателя.

• Работното напрежение на предпазителя трябва да е съобразено с пълното напрежение, възникващо при изключване на входния кондензатор в момента предшестващ аварията;

• Защитният му показател (при максимално напрежение) трябва да е по-малък от величината, предизвикваща взривната енергия в IGBT модула;

• Комутационното напрежение при горене на дъгата в предпазителя трябва да е по-малка от напрежението на електрическия пробив на защитавания IGBT в запушено състояние;

• Собствената индуктивност на предпазителя трябва да е по възможност минимална. На това трябва да се обръща особено внимание. Поради голямата скорост на нарастване на тока в силовите IGBT преобразуватели, реактивните елементи (включително паразитните капацитети и индуктивности) оказват голямо влияние на параметрите на преобразувателя - икономичност, надеждност и на процеса на развитие на аварията. Това е така, защото преобразувателите принципно работят със много стръмни фронтове при квантуване.

Влиянието на температурата на околната среда на стойността на номиналния ток обикновено се обозначава с А1 и се изчислява по формулата A1= Ц((a-tок)ё(a-30)), където tок - температура на околната среда, °C; a - максимално допустима температура на корпуса на предпазителя, °C. Ако има принудително охлаждане на предпазителя, е възможно да се увеличи номиналния ток с коефициент. Обозначава се с B1: B1=1+0,05 > VL, където VL е скорост на охлаждащия въздух m/s.

Номиналният ток на предпазителя при зададените условия може да се изчисли така IF= IL ё (A1> B1), където IF е номиналният ток на предпазителя, А; IL - максималният работен ток във веригата, А. Този вид предпазители трябва да отговарят на DIN EN 60269-4, VDE 0636 част 40. Очевидно е, че колкото е по-голяма претоварващата способност на използваните полупроводникови елементи, толкова по-лесно ще се съгласуват характеристиките им с тези на предпазителите.

Работата на бързодействащите предпазители при променливо натоварване

В много случаи средноквадратичният ток (IRMS) във веригата, защитавана от предпазител е непостоянен и съществено се променя във времето. За изчисляване на предпазител за такъв вид работа при различни видове натоварване се използват обобщени времетокови диаграми за съответния тип предпазител и справочни материали, предоставени от производителя.

Оттам се определят два коефициента A2 и B2. A2 служи за изчисляване на тока на предпазителя, изхождайки от средноквадратичния IRMS ток (средноквадратичния ток за периода на цикъла) при циклично натоварване. Определя се, като се интегрира периодът на цикъла (или приближено изчисление по прогнозируеми диаграми на тока във веригата).

B2 в случай на повтарящо се претоварване. Разбира се, възможно е естеството на промяната на тока в диаграмите на натоварване да даде и обвивната крива на цикличните и ациклични токове. Затова не се опитвайте да защитите полупроводникови устройства с предпазител за общопромишлена употреба. Всичко трябва да е прецизно изчислено.

Изисквания към бързо- и свръхбързодействащите предпазители

• пълно съгласуване на характеристиките на предпазителя с характеристиката на защитаемия полупроводников компонент;

• висока изключвателна възможност;

• минимални загуби при номинален ток;

• отсъствие на изменение на характеристиките във времето и при продължително протичане на номинален ток;

• ефективно токоограничение;

• да се отделя минимална енергия по време на аварийни режими;

• минимално напрежение на възникващата при изгаряне на предпазителя електрическа дъга, като това да не води да пробив в неповредените електронни прибори;

• малко отношение на интеграла на изключване и стапяне;

• малки габаритни размери на предпазителя;

• удобна компановка с полупроводниковия прибор.

Съвременни стопяеми предпазители

Предизвикателство за конструкторите е създаването на нов стопяем елемент, позволяващ значително да се подобрят параметрите и технологичността на предпазителите. Оптималните показатели на загуба на мощност да става заради съвременна конструкция, технология на изготвяне и използване на съвременни материали. Това позволява да се икономисва електроенергия при тяхната експлоатация.

Решението на конструкторите е стопяем елемент, изпълнен от специален профилен проводник с повтарящи се еднакви участъци от две сплетени една в друга части. Сечението на първата плавно се увеличава в осево направление от минимум до максимум с последващо повтаряне, а отношението на периметъра на стопяемия елемент към сечението му по оста плавно да се изменя от минимална стойност към максимална.

Сечението във втората част е минимално, при това отношение максималната стойност на сечението към минималната е 1,3 - 1,5, а отношението на дължината на целия участък към дължината с намалено сечение е 5 - 10 в зависимост от дължината на стопяемия елемент. При изключване на ток на претоварване стапянето става там, където температурата е най-висока, а именно където е преходът от минималното сечение към максимално.

Плътността на тока плавно се изменя от максимална в минималното сечение до минимална в максималното. Възникващата дъга се развива от страната на минималното сечение, а максималното се явява като един вид радиатор. Напрежението там бързо нараства, превеждайки към бързо изгасяне на дъгата. При тази форма по правило максималното сечение остава нестопено.

При изключване на токове с голяма кратност по отношение на номиналния (до късо съединение) за надеждното загасяне на дъгата е достатъчно интегралът на изключването и интегралът на стапянето да са в съотношение 2 до 3. При това оптималното отношение на максималното сечение към номиналното е в предела 1,25 - 1,70, а цитираните по-горе отношения 1,3 - 1,5 са получени експериментално за проводници с диаметър 0,15 - 0,6.

Изборът на отношението на дължината на целия участък към дължината на частите с минимално сечение се обуславя от технологията на изтегляне и валовете с определена конфигурация. Снижаването на загубната мощност в предпазителя става, като се посребрят всички контактни места.

Самовъзстановяващи се предпазители

Това са нови предпазители, предназначени за защита предимно на електронни устройства от претоварване по ток или от прегряване. Стопяемите предпазители трябва да се сменят, след като изгорят, и поради тази причина е добре да се поставят в леснодостъпни места. Използването на самовъзстановяващи предпазители позволява да се снижи времето за възстановяване и да се облекчи разработката и обслужването на устройствата. В този тип предпазители се използват за вложка полимери с положителен температурен коефициент.

При възникване на авария полимерът, имащ кристална решетка с токопроводящи вериги, се нагрява, става аморфен и рязко увеличава електрическото си съпротивление. Това ограничава тока на късо съединение до близък до номиналния ток. Полимерът остава в това състояние дотогава, докато съществуват фактори, довели до сработването му.

След изстиване на полимера той се възстановява и отново е готов за работа. Засега такива предпазители се изработват само за ниски напрежения. Както и стопяемите предпазители, нямат точно дефинирана област на работа.

Термопредпазителите също представляват вид невъзстановяем предпазител. Вложката е изработена от топче от стопяем материал и пружина. При достигане на съответната критична температура на термопредпазителя топчето се стопява, пружината се свива, а електрическата верига се прекъсва. Когато избираме предпазител, винаги трябва да отдаваме предпочитание на предпазител с пълнеж.

Материали за съвременни вложки за предпазители

Най-често използвани са мед, цинк, олово, калай, сребро. Цинкът има ниска температура на топене - 419 °C, и е предпочитан и често използван при направа на бързи и свръхбързодействащи предпазители. Печалбата от използването му е и значително снижаване изискването към термоустойчивост на другите елементи по конструкцията. Топлофизическите му свойства обезпечават ниска стойност на интеграла на стапяне.

Тези му свойства заставят производителите да свалят работната температура на предпазителите до не повече от 200 °С. Това довежда до увеличаване на сечението на вложката, като резултат се получава неустойчив към късо съединение предпазител в сравнение с предпазител с медна вложка и калаен разтворител в тесните сечения. Вложката от цинк е значително по-устойчива на корозия.

Електрическото съпротивление на цинка е 3,4 пъти по-високо от това на медта и за да се съхрани същата температура на вложката, трябва да се увеличи и сечението. Тя става масивна, но с намалена комутационна способност, което е благоприятно при употреба за защита на полупроводници.

Най-близка до среброто по електрофизически свойства е медта. За това тя широко се използва в производството на предпазители. Медта обаче интензивно се окислява, а окисът й е стабилен до температурата на топене. Благодарение на стабилността си тя може да е защитна, ако не е подложена на механични увреждания.

Това става при изменение на температурата на предпазителя и възпрепятстване на адхезията на филма към чистия метал. Вследствие на това се появяват цепнатини във филма от окис и лавинообразно развитие на корозионен процес.

Голямо разпространение напоследък получи и алуминият, който се топи при 660 °С. Електрическото съпротивление на стопяемите алуминиеви елементи е стабилно при продължително протичане на ток през тях. Това се обуславя от наличието на тънък окосен слой, който защитава метала от окисляване и не се разрушава до точката на топене на алуминия. Наличието на този филмов окис затруднява процеса на запояване и заваряване на алуминиевите стопяеми елементи.

Калаят се топи при температура 232 °С, която е значително по-ниска от температурата на топене на медта, и при тази температура разтваря мястото на съприкосновение с нея. Появилата се дъга стопява цялата вложка и угасва. Среброто е най-предпочитаният метал за направа на вложки, особено за високоволтови предпазители.

Ремонт на стопяеми предпазители

Въпреки ниската си цена, в много случаи ремонтът на предпазителите е оправдан. Предпазителите могат да се използват само с калибрована вложка. Замяната става само при изключено напрежение. Резбовите предпазители могат да се сменят под напрежение, но при изключен товар. Обикновено високоволтови стопяеми предпазители се ремонтират едновременно с останалото оборудване на подстанцията и при откриване на съществени дефекти, изискващи незабавно отстраняване.

Плановите ремонти на предпазителите започват с очистването им от прах и мръсотия по контактите и повърхността на патрона. После трябва да се провери целостта на керамичното тяло - наличие на пукнатини по порцелана, оглед на месинговите капачки за повреди. Пукнатите изолатори се отстраняват, а арматурата се възстановява.

Проверяват се пружините и качеството на контактите. Ако медните контакти са изменили цвета си от прегряване, те трябва да се сменят. Проверява се качеството на контакта на предпазителя с ошиновката, както и съответствието на номиналния ток и номиналното напрежение с това на защитавания обект.

Конструкция на стопяеми бързодейства-щи предпазители за полупроводници

За напълване на тялото на предпазителя се използва кварцов пясък със съдържание на SiO2 не по-малко от 98%, и зърна с размер 0,2 - 0,6 mm. Пясъкът трябва да е обработен с двупроцентен разтвор на солна киселина, промит и подсушен при температура 150 - 180 °С.

Не е за препоръчване ползването на пясък с по-малки от 0,2 или по големи от 0,6 mm зърна, защото под въздействие на високата температура от дъгата малките зърна ще се спекат, а по-големите ще влошат условията за гасене на дъгата заради наличието на по-голямо количество въздух между тях.

При късо съединение вложката гори в канал, образуван от кварцовите зърна. Кварцовият пясък има висока топлопроводност и развита охлаждаща повърхност. При горенето градиентът на напрежението достига до 104 V/m. Това обезпечава бързо - за няколко милисекунди, загасяне на дъгата. С цел по-голямо намаляване на това време в някои стопяеми предпазители закрепват вложката със специална натегната пружина.

При изгаряне на вложката тази пружина по-бързо отдалечава краищата и по-бързо предотвратява образуването на дъга. Тази конструкция реагира по-бързо от конструкцията без пружина.

Благоприятно влияние оказва охлаждането на полупроводника с течност, когато е инсталиран непосредствено на полупроводниковото устройство. Това позволява да се увеличи максималният ток през предпазителя. Собствената индуктивност на предпазителя е важен показател.

Например обикновен стопяем предпазител има индуктивност от порядъка на 150 - 200 nH, а предпазител за полупроводникови компоненти - не повече от 10-15 nH. Това е по-малко от тоководещите шини на самия преобразувател. Освен това усилено се работи по оптимизация на изводите и контактите на предпазителите, така че да се снижи нагряването им при ток, близък до номиналния.

Този вид предпазители работят много добре както с променлив, така и с постоянен ток. Работи се усилено и да се сведе до минимум влиянието на външната температура върху защитните им характеристики. Външната температура изменя термодинамичните свойства на стопяемата вложка.

Както вече бе споменато, за материал на вложката се използват олово, сплави на оловото, цинк, алуминий, калай, сребро. Ползват се също и нискотемпературни сплави - д’Арсе - 79 °С, Розе - 97,3 °С, Ууд - 60,5 °С. При късо съединение целият процес на нагряване на вложката практически става мигновено, до температурата на стапяне.

За по-голямо ускорение на този процес вложката има няколко стеснени участъци по дължината си и перфорация. По този начин напълно се променя процесът на топлоразпределение вътре във вложката. Съпротивлението в тесните места е значително по-голямо от широките и отделената топлинна мощност в участъците с повишеното съпротивление е повече.

Следването на няколко участъка с намалено сечение способства за намаляване растежа на тока след разтапяне на вложката, а също и за намаляване растежа на напрежението на дъгата в предпазителя. По-нататък възниква лавинообразен процес - стесненият участък още повече увеличава съпротивлението си при нагряване, а това води до още по-силно нагряване. За снижение на температурата на стапяне на вложката по дължината й напречно се нанася леснотопим калаен припой на ленти или топчета (металургичен ефект).

При голямо нагряване атомите на калая проникват в медта, образувайки сплав, а сплавите имат по-ниска температура на топене от елемента с най-ниска температура на топене в състава им. Точно там става топенето на вложката при късо съединение. Това завършва с разтапяне на вложката - сработва предпазителят, прекъсва се токът през веригата и се възпрепятства аварията.

Самият корпус на предпазителя е изработен от негорим материал и има много висока механична здравина. При късо съединение вътре в него става процес напомнящ взрив - отделя се голямо количество топлинна енергия за кратък период от време, с което корпусът трябва да се справи. На някои предпазители корпусът е изработен от фибър.

Обикновено формата му е цилиндрична и вътре е поместена вложката. При изгаряне на вложката корпусът отделя голямо количество газ, вътре налягането се увеличава и дъгата се дейонизира. Налягането вътре е пропорционално на квадрата на тока през него, а при късо съединение може да стигне огромни стойности. Затова корпусът от фибър трябва да има голяма механична здравина.