Элементы конструкции предохранителей

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Плавкие элементы

Наиболее подходящим материалом для плавкого элемента является серебро. Это обусловлено тем, что серебро имеет высокую и стабильную электрическую проводимость. Серебряные плавкие элементы хорошо работают в непрерывном режиме, при циклических нагрузках и перегрузках, на воздухе и в песчаном наполнителе. После окончания этих воздействий электрическое сопротивление серебряного плавкого элемента возвращается к исходному значению. Плавкие элементы из серебра имеют максимальный по сравнению со всеми другими использующимися металлами срок службы. Серебро обладает физическими свойствами, положительно влияющими на защитные характеристики предохранителей, - низкие значения удельной теплоемкости, удельной теплоты плавления, удельной теплоты испарения, высокий потенциал ионизации.

Серебро обладает хорошими технологическими свойствами: легко поддается точной штамповке, сварке и пайке, не требует при этом предварительной обработки.

При воздействии высоких температур серебро может окисляться, но окислы серебра неустойчивы, и при температуре выше 180⁰С они восстанавливаются до чистого серебра. Однако при всех своих достоинствах серебро дефицитно и значительно дороже других материалов, применяемых для плавких элементов.

Наиболее близкими к серебру физическими свойствами обладает медь, и благодаря этому она также широко используется в производстве плавких предохранителей. Однако медь интенсивно окисляется, а ее окись стабильна вплоть до температуры плавления меди. Благодаря своей стабильности пленка могла бы быть защитной, если бы не механические напряжения, возникающие адгезии пленки к чистому металлу. Вследствие воздействия этих сил окисная пленка меди растрескивается и отслаивается, облегчая тем самым дальнейшее развитие коррозионных процессов. Срок службы плавких элементов из меди намного короче срока службы плавких элементов из серебра (рисунок 1). Особенно чувствительны плавкие элементы из меди к циклическим нагрузкам (рисунок 2) Суммарная длительность протекания тока до расплавления плавкого элемента из меди при циклической нагрузке намного меньше длительности протекания тока через тот же плавкий элемент в непрерывном режиме.

Рисунок 1 – Изменение электрического сопротивления серебряной и медной проволок при непрерывной нагрузке током на воздухе в зависимости от времени. Диаметр проволоки – 0,13 мм.

Рисунок 2 – Изменение электрического сопротивления серебряной и медной проволок при циклической нагрузке током (1 ч – включение, 1 ч - охлаждение) в зависимости от числа n циклов.

Размещение плавкого элемента из меди в кварцевом песке несколько изменяет картину его поведения. Хотя при перегрузке срок службы плавкого элемента из меди в песчаном наполнителе почти такой же, как и его срок службы на воздухе, но вследствие более равномерного распределения температуры вдоль плавкого элемента циклические перегрузки оказывают не столь разрушительное действие, как в вышеприведенном случае на воздухе (рисунок 3). К сожалению, гальваническое серебрение не позволяет надежно защитить медный плавкий элемент от окисления.

Рисунок 3 – Изменение электрического сопротивления медной проволоки в кварцевом песке при циклической нагрузке током (10 с – включение, 20 мин - охлаждение) в зависимости от числа n циклов.

В связи с тем, что во всем мире запасы меди и серебра быстро истощаются, и уже в настоящее время ощущается недостаток этих материалов, в ближайшем будущем, вероятно, получит большое распространение в качестве материала плавких элементов третий высокопроводящий материал – алюминий. Самыми главными его достоинствами являются низкая стоимость и большие запасы в земной коре. Удельное электрическое сопротивление алюминия ( ) несколько выше, чем у меди и серебра. Электрическое сопротивление алюминиевых плавких элементов стабильно при длительном протекании номинального тока, что обусловлено наличием тонкой окисной пленки, защищающей металл от дальнейшего окисления. Окисная пленка имеет хорошую адгезию с алюминием и не разрушается при нагреве вплоть до температуры плавления. Но именно наличие окисной пленки затрудняет процессы пайки и сварки алюминиевых плавких элементов. Значительные успехи, достигнутые в последнее время в этой области, безусловно, будут способствовать быстрому внедрению алюминия в производство плавких предохранителей.

Из других металлов, применяющихся для изготовления плавких элементов предохранителей, следует отметить цинк. Цинк имеет низкую температуру плавления, а для плавких предохранителей низкая температура плавления плавкого элемента предпочтительна, поскольку значительно снижаются требования к термоустойчивости других элементов конструкции. Теплофизические характеристики цинка обеспечивают довольно низкое значение интеграла плавления.

Существенным недостатком является относительное быстрое старение плавких элементов из цинка и при эксплуатации, и при хранении, обусловленное , в частности, высокой упругостью пара уже при довольно низких температурах. Малый срок службы предохранителей с цинковыми плавкими элементами тормозит широкое использование цинка в производстве плавких элементов предохранителей. Для цинка, так же как и для меди, для увеличения срока службы необходимо защитное покрытие, которое препятствовало бы интенсивному старению при длительном протекании тока в непрерывном и в циклическом режимах.