SIGURANTE FUZIBILE - Principiul de functionare al sigurantelor fuzibile

SIGURANTE FUZIBILE

Siguranta fuzibila este un aparat de conexiune si protectie a carui functie este de a intrerupe circuitul in care este conectata si de a intrerupe curentul, atunci cand acesta depaseste un anumit timp o valoare data, prin topirea unuia sau mai multor elmente fuzibile (destinate si proiectate in acest scop).

Siguranta fuzibila este unul dintre cele mai vechi aparate de protectie, care au aparut inca din primele momente ale dezvoltarii electrotehnicii. Actiunea unei sigu­rante se bazeaza pe topirea fuzibilului ei in caz de suprasarcini si de scurt­cir­cu­ite. Fuzibilul sigurantei constituie punctul slab al circuitului. El trebuie sa se to­peasca inaintea conductoarelor, a infasurarilor masinilor sau a trans­for­ma­toa­re­lor, adica inainte ca curentul prin circuit sa poata atinge o valoare periculoasa pen­tru izolatii.

Sigurantele fuzibile se caracterizeaza printr-o constructie foarte simpla si robusta, care au incorporat ca element de protectie un fir rotund sau o banda conductoare, montate in serie cu obiectul de protejat. In cazul curentilor de scurtcircuit si la suprasarcini mari, metalul din care este confectionat fuzibilul, avand cea mai redusa stabilitate termica din intreg circuitul, se topeste si intrerupe circuitul, realizand protectia acestuia.

Sigurantele fuzibile se folosesc atat in instalatiile electrice de joasa tensiune, cat si in cele de medie si inalta tensiune si desi din punct de vedere constructiv ele difera mult in functie de domeniul de utilizare, functia de protectie este aceeasi.

1. Principiul de functionare al sigurantelor fuzibile

Siguranta fuzibila are doua regimuri de functionare: cand curentul care o strabate este mai mic decat curentul minim de topire (I<I_{min top}) si regimul tranzitoriu conditionat de curentii de scurtcircuit sau de suprasarcina, curenti ce depasesc curentul minim de topire (I>I_{min topire}).

Figura     Principiul de functionare al sigurantei fuzibile

Elementul fuzibil este inglobat intr-o masa de nisip de cuart si se topeste la depasirea I_{min top}, aparand arcul electric, a carui stingere este determinata de preluarea caldurii de catre granulele de nisip. Din momenul in care firul ajunge in stare lichida, masa de lichid nu mai pastreaza forma geomatrica a firului, fiind supusa deformarii cauzate de fortele electodinamice in bucla parcursa de curent 1si de fortele Lorentz in masa de lichid.

Fuzibilul se topeste apoi se evapora, din stare solida trece in stare lichida apoi in stare de vapori. Procesul de schimbare a acestor stari difera esential dupa cum se efectueaza incet sau repede, adica daca fuzibilul sigurantei se topeste la in­tensitate mica a curentului de suprasarcina sau la intensitate mare a unui curent de scurtcircuit.

Se constata ca pe durata 0 . t₁ are loc incalzirea elementului fuzibil, con­form curbei din figura, pana la temperatura q corespunzatoare temperaturii de to­pire (q q_top). Durata t₁este de 1 . 5 ns si ca urmare s epoate considera ca intr-un interval atat de scurt nu exista schimb de caldura cu mediul ambiant, procesul fi­ind adiabatic.

In intervalul t₁-t₂ materialul fuzibilului se topeste in intregime, iar tem­pe­ra­tura se pastreaza constanta in timpul procesului de topire la valoarea q q_top. In acest interval exista atat metal solid, cat si lichid, care ocupa ipotetic forma geometrica a elementului in stare solida.

In intervalul de timp t₂ - t₃ metalul lichid se incalzeste la temperatura q la temperatura q cand se ajunge la temperatura de vaporizare (q q_vap), dupa care ar urma formarea arcului electric.

Intervalul de timp scurs intre momentul aparitiei curentului de scurtcircuit si momentul aparitiei arcului electric se numeste durata de prearc.

Caracteristic pentru functionarea la scurtcircuit a sigurantelor fuzibile este procesul de limitare a curentului electric ca durata si amplitudine. Dupa topirea completa a elementului fuzibil si deci dupa aparitia arcului alectric, curentul mai creste putin, deoarece rezistenta arcului este inca mica..

Efectul limitativ al sigurantelor fuzibile este cu atat mai pronuntat cu cat valoarea nominala a sigurantei este mai mica si curentul de scurtcircuit mai mare (supratensiunile ce apar in circuit sunt mai mari).

In cazul unui curent mic, distrugerea fuzibilului incepe in anumite por­ti­uni, nu prea mari. Astfel in aceste portiuni, datorita topirii si evaporarii me­ta­lu­lui, ia nastere un arc sau mai multe arcuri mici. Aceste arcuri distrug fuzibilul pe lun­gimea totala, necesara stingeri arcului. Dar metalul fuzibilului ramane in zo­na unde se gasea initial fuzibilul. Daca acesta este inconjurat de nisip, metalul to­pit umple spatiul dintre firele de nisip si formeaza un canal semiconductor. Stin­gerea arculului dupa topirea fuzibilului, in cazul curentilor redusi, este in­gre­u­nata datorita acestui fapt.

In cazul unui curent mare fuzibilul se topeste, practic, simultan pe toata lun­gimea. Efectul topirii si evaporarii metalului are un caracter de explozie, in ca­re metalul fuzibilului este aruncat cu putere in laturi si se condenseaza pe fi­re­le de nisip.

La trecere din stare lichida in stare de vapori, conductanta devine practic nu­la si curentul se intrerupe brusc, aceasta ducand la supratensiuni apreciabile, care de obicei cresc pana la o valoare la care apare strapungerea mediului sigu­ran­tei plin cu metal sub forma de vapori. Dupa strapungerea mediului, se sta­bi­les­te un arc, a carui durata de ardere si caracter al stingerii depind de constructia dis­pozitivului de stingere al arcului cu care este prevazut siguranta.

Valoarea supratensiunii care ia nastere in siguranta dupa evaporarea fuzi­bi­lului, depinde de lungimea acestuia. Cu cat lungimea este mai mare cu atat supra­tensiunea care ia nastere este mai inalta.

Pentru reducerea supratensiunii care ia nastere in siguranta la scurtcircuit, se incearca reducerea lungimi fuzibilului. De exemplu, in sigurantele tubulare dupa topirea fuzibilului si formarea arcului, unul dintre electrozi este tras din canalul de stingere, astfel supratensiunile sunt practic imposibile.

La sigurantele umplute cu nisip unde nu se poate marii distanta dintre elec­trozi, se folosesc fuzibile in trepte. Fuzibilul este construit din sarme de di­fe­ri­te sectiuni. In cazul unui astfel de fuzibil topirea si evaporarea se produc intai in portiunea de sectiunea minima. Dupa ce este strapunsa aceasta sectiune ur­mea­za cea cu sectiune mai mare, arcul se stabileste pe toata lungimea. Este clar ca in cazul strapungerilor in trepte, supratensiunile trebuie sa aiba valori mai mici decat siguranta care nu are fuzibilul in trepte, deoarece lungimile diferitelor sec­tiuni se micsoreaza.

Arcul care ia nastere intr-o siguranta dupa topirea si evaporarea fuzibi­lu­lui, trebuie stins intr-un timp cit mai scurt. In functie de conditiile de functionare a sigurantei, de puterea scurtcircuitului si de valoarea tensiunii de serviciu, se fo­lo­sesc diferite metode de stingere a arcului, incepand de la intreruperea simpla in aer si terminand cu dispozitive complicate.

Figura 3.2. Efectul de limitare a curentului prin siguranta fuzibila.

a) Regim sinusoidal, b) Regim aperiodic.

Sigurantele fuzibile limitatoare de curent sunt sigurantele care dupa topirea fuzibilului reduc repede curentul la zero, inainte sa atinga valoarea maxima.Toate constructiile de sigurante se pot imparti in:

1) cu limitare de curent;

2) fara limitare de curent.

In figura 3.2. s-au reprezentat marimile standardizate si notate conform recomandarilor CEI:

- i_p curentul prezumat, definit ca acel curent care ar trece prin circuit daca siguranta fuzibila ar fi inlocuitacu un conductor de impedanta nula;

- i_pt curentul prezumat taiat, definit ca valoarea instantanee a ip in mo­men­tul aparitiei arcului electric;

- i_l curentul limitat este curentul care trece prin siguranta fuzibila dupa amor­sarea arcului electric;

- i_lt curentul limitat taiat este valoarea instantanee maxima a curentului limitat;

- t_pa este durata de prearc;

- t_a este durata de ardere a arcului electric.

Rezulta ca durata de ardere a arcului electric este t_pa + t_a.

Din figura 3.2. se constata ca in regim aperiodic efectul de limitare este mai pronuntat dar durata de ardere a arcului electric este mai mare.

Sigurantele fuzibile limitatoare de curent sunt sigurantele care dupa topirea fuzibilului reduc repede curentul la zero, inainte sa atinga valoarea maxima.

La curentul i, fuzibilul se evapora si au loc strapungerea intervalului si amorsarea arcului. In sigurantele limitatoare de curent, curentul din circuit nu atin­ge valoarea maxima I_m ci, dimpotriva, incepand de la valoarea I, scade tin­zand catre zero. Astfel de proprietati remarcabile au de exemplu sigurantele um­plu­te cu o substanta cu granulatie mica. In cazul acesta, arcul se gaseste in ast­fel de conditii, incat rezistenta sa capata, dintr-o data o valoare mare care apoi cres­te repede. Proprietate sigurantelor, umplute cu substante granuloase de a re­du­ce fortat curentul la zero inainte de trecerea sa normala prin zero, indica posi­bi­li­ta­tea utilizarii acestui fel de sigurante si in curent continuu, lucru confirmat in prac­tica.

Sigurantele fuzibile fara limitare de curent aproape ca nu reduc curentul du­pa evaporarea fuzibilului. In acest caz, curentul din arc dupa evaporarea fuzi­bi­lului trece prin maxim si, in cazul cel mai bun se intrerupe la prima trecere prin zero, insa poate sa se intrerupa si dupa trecerea catorva semi perioade. Majoritatea sigurantelor fuzibile nu sunt sigurante limitatoare de curent.

In sigurantele fuzibile se foloseste pe scara larga stingerea arcului cu ajutorul descompunerii unei substante solide de stingere. Astfel de sigurante sunt de exemplu, sunt sigurantele tubulare la care stingerea are loc intr-un curent de gaz longitudinal, ce ia nastere in tubul executat din material generator de gaz. Astfel de sigurante de inalta tensiune de curent alternativ sunt utilizate in special in instalatii exterioare.

O raspandire si mai mare a capatat metoda de stingere a arcului electric in sigurantele fuzibile cu ajutorul unei substante de umplutura cu granulatie mica. Acest principiu de stingere a arcului este folosit pe scara larga, atat la sigurantele de inalta tensiune pentru instalatii interioare (pana la 35 kV) cat si la sigurantele de joasa tensiune. Sigurantele cu umplutura granuloasa au efect limitator de curent si pot fi utilizate pentru intreruperea curentilor mari de scurtcircuit.