График работыПН-ПТ с 09:00 до 19:00 (мск)

Как правильно подобрать быстродействующий предохранитель

Виталий Хаймин
Руслан Черекбашев

Силовая электроника, управляющая киловаттами и мегаваттами энергии, немыслима без соответствующих мер защиты. Наряду со сложными автоматизированными системами в аппаратуре всегда имеется последний защитный барьер в виде предохранителей. От правильного выбора параметров предохранителя зависят затраты, которые понесет потребитель при последующем ремонте. При замене сгоревшего предохранителя вопрос корректного подбора не стоит, так как в паспорте оборудования указан конкретный код производителя. В данной статье будет рассмотрен случай, когда при разработке нового оборудования, комплектации силовых шкафов требуется выбрать быстродействующие предохранители, исходя из параметров системы, условий эксплуатации, особых требований и т. д. Причем наиболее подробно будет обсуждено определение основных параметров, влияющих на подбор предохранителей — значений номинального напряжения, номинального тока и др.

Определение значения номинального напряжения

Номинальное напряжение предохранителя — это рабочее напряжение переменного или постоянного тока. Чтобы правильно защитить любую систему, номинальное напряжение предохранителя должно быть не меньше напряжения в системе. По требованиям МЭК (Международная электротехническая комиссия)переменное напряжение при тестировании предохранителей должно соответствовать 110% номинального напряжения с коэффициентом мощности 10–20%. По северо-американским стандартам (UL) достаточно, чтобы все предохранители тестировались при их номинальном напряжении с коэффициентом мощности 15–20%. Поэтому на большинстве продуктов BUSSMANN указаны два номинальных напряжения (рис. 1).



Если два предохранителя устанавливаются последовательно, то каждый из них должен быть рассчитан на максимально возможное напряжение в цепи. Заявленные значения переменного номинального напряжения предохранителей BUSSMANN действительны при частотах 45–1000 Гц. Процесс прерывания на более низких частотах аналогичен процессам в цепи постоянного тока. При частоте ниже 45 Гц необходимо внести поправку к номинальному напряжению в соответствии с графиком, представленным на рис. 2.



Определение значения номинального тока предохранителя

Номинальный ток предохранителя — это среднеквадратичное значение тока, которое предохранитель способен пропускать продолжительное время без ухудшения его свойств и выхода температуры за допустимые пределы. Для корректной работы предохранителя необходимо правильно подобрать значение номинального тока. Оно зависит как от параметров защищаемой цепи, так и от многих внешних факторов. При повышенной температуре окружающей среды номинальный ток предохранителя следует увеличить, а при низких температурах или при принудительном охлаждении потоком воздуха — понизить. Также на это значение влияют частота тока, плотность тока в контактной площадке, атмосферное давление (при высотах выше 2000 м над уровнем моря), а также длительность и частота воздействия токов перегрузки. Все эти параметры связаны с номинальным током предохранителя следующей формулой:

In = Ib / (Kt × Ke × Kv × Kf × Ka × Kb),
где In — номинальный ток предохранителя; Ib — среднеквадратичный максимальный ток нагрузки в цепи, действующий в течение длительного времени; Kt — коэффициент температуры воздуха; Ke — коэффициент контактной плотности тока; Kv — коэффициент воздушного потока; Kf — коэффициент частоты тока; Ka — коэффициент высоты над уровнем моря; Kb — постоянная (const) нагрузки предохранителя. В технической документации Bussmann номинальный ток предохранителей определен для температуры окружающей среды, равной 20 °C.

Однако в реальных условиях эксплуатации температура может отличаться от этого значения. Повышение температуры среды, например, в условиях закрытого монтажа или в случае близости теплонагруженных элементов вызывает необходимость выбора предохранителя большего номинала, так как для плавления перемычки потребуется выделение меньшего количества тепла. И наоборот, понижение температуры окружающей среды требует использования предохранителя с меньшим номинальным током. График определения поправочного коэффициента в зависимости от температуры окружающей среды для типичного быстродействующего предохранителя приведен на рис. 4.


Таким образом, если температура окружающего воздуха составляет около 60оС, то при токе в цепи 100 А нужно использовать предохранитель 100А/0,8 = 125 А. Для оценки влияния воздуха используются различные эмпирические формулы и зависимости. При принудительном воздушном охлаждении предохранителей при скорости потока 2–10 м/с допустимо использовать предохранитель меньшего номинала. Из графика на рис. 5 видно, что уже при воздушном потоке со скоростью 2 м/с для цепи с максимальным током 1100 А следует использовать предохранитель с номинальным током 1000 А.

Следует учесть, что скорость воздушного потока должна браться непосредственно у корпуса предохранителя,
а не у крыльчатки вентилятора. Высокое быстродействие предохранителей достигается повышением плотности тока в перешейках плавких элементов, что вызывает сильный нагрев корпуса предохранителя. Следовательно, сечение и длина токоведущих шин оказывают большое влияние на характеристики предохранителя. Около 70% выделяемого в предохранителе тепла отводится через токоподводящие шины. Поэтому увеличение их сечения может обеспечить рост номинального тока на несколько процентов. По рекомендациям специалистов компании Bussmann, плотность тока в токоподводящих шинах должна составлять1,3 А/мм2 (по стандарту МЭК 60269, часть 4, плотность тока может быть в диапазоне 1–1,6 А/мм2). Если фактическая плотность тока в шинах больше этого значения, то следует повысить номинал предохранителя, используя для расчета коэффициент, определяемый по графику, приведенному на рис. 6.



Например, прямоугольный предохранитель на 200 А установлен на шине с сечением 100 мм2. Плотность тока при этом равна 200/100 = 2 A/мм2. Чтобы удовлетворить требованию 1,3 А/мм2, рекомендуемое сечение шины должно быть 200/1,3 = 154 мм2. Фактический размер шины составляет 100/154 = 65% от рекомендуемого значения. Определив по графику коэффициент Ke, получаем номинальный ток предохранителя 200/0,94 = 213 А. Если обе подключаемые шины не одинаковы, то коэффициент Ke можно рассчитать по формуле: Ke = (Ke1 + Ke2) / 2. Предохранители, работающие в высоко частотных цепях, требуют особого внимания. В таких условиях их токопроводящие способности могут быть понижены вследствие возникновения скин-эффекта и эффекта близостина токопроводящих элементах предохранителя. Скин-эффект выражается в увеличении плотности тока от центра к поверхности проводника. Это связано с явлением вытеснения тока в проводнике под действием собственного магнитного поля. Эффект близости выражается в смещении плотности тока из-за действия тока в расположенных рядом проводниках. Оба этих индукционных эффекта создают неравномерное распределение тока по сечению проводника, что приводит к повышенному выделению тепла. Для их учета вводится поправочный коэффициент частоты тока Kf, определяемый по графику, представленному на рис. 7.



Из графика видно, что при токе 100 А с частотой 10 кГц нужно использовать предохранитель на 100/0,7 = 143 А. Когда предохранители применяются, например, в горах, то из-за снижения плотности атмосферы ухудшается конвекционное охлаждение. Поэтому на высотах более 2000 м над уровнем моря применяется коэффициент высоты над уровнем моря, вычисляемый по формуле: Ka = (1 – (h – 2000)/20000), где h — высота в метрах над уровнем моря. Так, на высоте 5000 м в цепи с током 85 А следует использовать предохранитель на 85/(1 – (5000 – 2000)/20000) = 100 А. Постоянная (const) нагрузки предохранителя Kb определяется из технического описания предохранителя. Она зависит от материала корпуса предохранителя. Так, для фарфоровых предохранителей ее значение равно 1, а для корпуса из стекловолокна — 0,8.

Влияние перегрузок

Максимальный ток Imax, которому может подвергаться предохранитель, зависит от длительности и частоты импульсов перегрузки. По длительности перегрузки делятся на две категории:
• перегрузки длительностью более 1 с;
• перегрузки длительностью менее 1 с.
В таблице приведены основные рекомендации по определению максимально допустимого тока перегрузок Imax. Ток плавления берется из время-токовой характеристики предохранителя. Типичные примеры циклов нагрузки, включая токи перегрузки, приведены на рис. 8.



Возьмем, для примера, предохранитель на 200 А, который 3–5 раз в день подвергается перегрузкам 300 A, каждая из которых длится по 5 с. Для данного типа предохранителя по время-токовой кривой находим, что ток плавления It, соответствующий времени длительности перегрузок 5 с, будет равняться 600 A. По таблице определяем, что для данного типа предохранителя максимальный возможный ток перегрузки равен 60% × 600 = 360 A. Значит, этот предохранитель может выдерживать временные перегрузки до 360 A. Таким образом, выбранный плавкий предохранитель на 200 A, подвергающийся перегрузкам в 300 A в течение 5 с 3–5 раз в день, будет работать правильно.

Циклические нагрузки

Циклическая нагрузка, приводящая к преждевременной усталости предохранителей, определяется регулярными и нерегулярными изменениями тока нагрузки. При этом параметры тока должны достигать величин, приводящих к деформации плавких элементов предохранителя. Для того чтобы избежать этого, при выборе предохранителя закладывается определенный запас прочности. Так как общее правило для всех ситуаций установить невозможно, используется добавочный коэффициент G, определяемый эмпирически. В большинстве случаев достаточным является следующее значение коэффициента G = 1,6. После того как предохранитель был выбран, необходимо провести проверку для определения достаточности запаса прочности в условиях периодической импульсной нагрузки. Для этого нужно определить ток плавления It по время-токовой характеристике предохранителя. В качестве аргумента берется длительность одного импульса из цикла. Далее следует по графику (рис. 9) найти коэффициент цикличных пульсаций B. Здесь в качестве аргумента используется период импульсов T. Чтобы предохранитель надежно выполнял свои функции, допустимое значение тока импульса должно быть менее произведения тока плавления It и коэффициента B:



Ipulse< It × B.

Рассмотрим пример. Существует следующая циклическая нагрузка: 150 A в течение 2 мин с последующим изменением на 100 A в течение 15 мин (рис. 10).



Рассчитываем действующее значение тока в цепи Irms:




Предполагая, что нет ухудшающих параметров, считаем коэффициент G равным 1,6. Получаем

In > Irms × G = 107 × 1,6 = 171 A.

По первой оценке предохранитель на 200 A в этом случае достаточен. Проверим теперь запас прочности на B-фактор. Длительность импульса (рис. 10) равна 120 с. По время-токовой характеристике (рис. 11) определяем ток плавления It для 120 с. Он равен 440 А.



Далее из графика (рис. 10) вычисляем период цикла Т. Он составляет 120 с + 15 мин = 17 мин. По графику (рис. 12) определяем коэффициент В для 17 мин. Коэффициент B равен 0,32. Проверим выполнение условия надежности при работе с данной циклической нагрузкой. Умножая коэффициент B на ток плавления, получаем 440 × 0,32 = 141 А, что меньше тока импульса, равного 150 А.

Значит, при такой циклической нагрузке предохранитель на 200 А не будет иметь достаточного запаса надежности. Необходимо увеличить номинал предохранителя. Проводя такие проверки, мы можем получить гарантию долговременной работы предохранителя в условиях импульсной циклической нагрузки. Иногда в результате расчетов получается, что показатель тепловой энергии I2t предохранителя становится больше аналогичного показателя защищаемого устройства, например IGBT-модуля. При этом предохранитель будет неспособен выполнять назначенные ему функции. В таких ситуациях стоит несколько уменьшить запас прочности предохранителя или, если прочность снижается значительно, придется выбрать другую модель предохранителя. Кроме выбора основных параметров предохранителя, рассмотренных выше и являющихся определяющими, есть еще и другие критерии, например, конструктивное исполнение, вид контактов, наличие индикации срабатывания и т. д. Bussmann является ведущей компанией в мире по количеству выпускаемых моделей плавких предохранителей, а также предлагает наиболее широкий ассортимент быстродействующих предохранителей на мировом рынке. Более подробно познакомиться с технической информацией и подобрать нужную модель предохранителя можно на сайте официального представителя Bussmann в РФ — ООО «Айтекс» (www.bussfuse.ru).

Литература

1. www.cooperindustries.com
2. IEC 60 269 — 1 Low voltage fuses. Part 1/General requirements.
3. High Speed Fuse Application Guide / Cooper Industries plc, USA, 2010.
4. Намитоков К.К. и др. Аппараты для защиты полупроводниковых устройств. — М.: Энергоатомиздат, 1988.