Плавкий элемет предохранителя Советский патент 1977 года по МПК H01H85/06 

(54) ПЛАВКИЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ

1

ИзоСретепие относится к области электроаппаратостроения, в частности к плавким элементам предохранителей.

Известны плавкие элементы предохранителей, выполненние из различных однородных металлов{.

Выбирая в качестве материала плавкого элемента металл с теми или иными электрофизическими свойствами (с той или иной электро- и теплопроводиостью, температурой плавления и т.д. в предохранителях получают и соответстБую цие им эксплуатационные характеристики .

Однйко получив широчайшее примеНение в различных типах предохранителей плавкие элементы из однородных металлов имеют довольно ограниченные возможности и в целом ряде случаев практики разработки электротехнического оСорудования не могут удовлетворить современных требований, предъявляемых к предохранителям и их эксплуатационным характеристикам.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является плавкий элемент, выполненный из Металлов на основе меди, серебра, алюминия, цинка или их различных композиций 2 .

Известные плавкие элементы иа основе указанных материалов по сравнению с другими подобными плавкими элементами имеют наиболеевысокую электро- и теплопроводность и ввиду сравнительно малого отношения объема металла к токовой нагрузке позволяют обеспечить в предохранителях наиболее высокую коммутационную способность. В то е время сравнительно высокая температура плавления таких плавких элементов (420°С и выше) не позволяет их использовать в предохранителях, от которых требуется очень малый перегрев и потерямощности. Не решает эту проблему полностью и использование в плавких элементах предохранителей различных известных композиции из выше указанных материалов, поскольку все они включают в себя металлы, образующие между собой иытерметаллические соединения, или металлы, обладающие очень хорошей взаимной растворимостью, что обычно вызывает в процессе эксплуатации плавких элементов их значительное старение (изменение физических свойст с течением времени), неизбежно приводящее к существенному изменению эксплуатационных характеристик, в частности, к увеличению нагрева и потерь мощности при номинальных токах, умен шению пограничного тока и изменению всех защитных характеристик в целом. Цель изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик плавких элементов предохранителей. Достигается поставленная цель тем что введенные в плавкий элемент ингредиенты состоят из металлов, не об разующих с металлом основы интерметаллических соединений, растворимост которых в твердом металле основы при 400 С находится в пределах 0,00110,0 мас.%. Для обеспечения надежного соединения металла основы плавкого элемента с введенными ингредиентами плавкий элемент на участках, в которые введены вышеуказанные ингредиенты, может представлять собой сплав ил металлокерамическую композицию металла основы плавкого элемента с введенными ингредиентами. С той же целью введенные в металл основы плавкого элемента ингредиенты могут состоять из металлов, образующих с металлом ос новы плавкого элемента интерметаллические соединения или неограниченные твердые растворы или ограниченные тве дые растворы с пределом растворимости в металле основы плавкого элемента, лежащем в пределах 10,0-85,0 мас.%, причем количество таких ингредиентов в сплаве или металлокерамической композиции может составлять О , 01-50 , Ома :от общей массы введенных ингредиентов При таком исполнении плавкого элемента введенные в плавкий элемент лег коплавкие ингредиенты очень мало изменяют физические свойства входящих в его композицию металлов, но достаточно прочно соединяются с ними. Благодаря такой особенности композиции и удается получить плавкий элемент, обладающий необходимой прочностью, высокой электро- и теплопроводн стью, малым старением и низкой температурой срабатывания. В свою очередь эти свойсва предлагаемого плавкого элемента позволяют ему, по сравнению с другими подобными известными конструкциями, одновременно улучшить целый ряд эксплуатационных характеристи увеличить коммутационную и токоограничивающую способности при токах короткого замыкания, снизить нагрев и потери мощности при номинальных токах И токах ниже пограничного, повысить стабильность характеристик и надежность работы в целом во всех указанных режимах. На фиг. 1-6 даны различные вариан ты исполнения плавких элементов; на фиг. 7-10 - структуры плавкого элемента на участках с введенными легко плавкими ингредиентами в момент разрушения. На фиг. 1 изображен общий вид и микроструктура продольного сечения плавкого элемента, выполненного в виде проводника из материала на основе ме- ди, серебра, алюминия или цинка, в который по всей длине введены металлы или сплавы, или металлокерамические смеси с температурой плавления ниже 400°С, не образующие с металлом основы плавкого элемента интерметаллическИх соединений и растворимость которых в твердом металле основы плавкого элемента при температуре 400°С находится в пределах 0,001-10,0 мас.%. Для медной основы плавкого элемента в качестве таких металлов могут быть введены, например свинец, таллий, висмут, литий и их сплавы. Для серебряной основы плавкого элемента - свинец, висмут, натрий и их сплавы. Для алюминиевой основы плавкого элемента - свинец, таллий, кадмий, висмут, олово, индий, натрий и их сплавы. Для цинковой основы плавкого элемента - свинец, таллий, кадмий, висмут, олово и их сплавы. Для обеспечения надежного соединения металла основы плавкого элемента с введенными мало растворимыми и не образующими интерметаллических соединений ингредиентами плавкий элемент может быть выполнен в виде сплава или металлокерамической композиции металла основы плавкого элемента с аведенными ингредиентами. . С той же целью введенные в металл, основы плавкого элемента ингредиенты могут содержать часть ингредиентов, образующих с металлом основы плавкого , элемента интерметаллические соединения или неограниченные твердые растворы или ограниченные твердые растворы с пределом растворимости в металле ос- новы плавкого элемента лежащем в пределах 10,0-85,0 мае. %, причем количество последних в сплаве или металлокерамической композиции может составлять 0,01-50,0 мас.% от общей, массы введенных ингредиентов. В качестве таких хорсадо растворимых или образующих интерметаллические соединения ингредиентов могут быть использованы, например, при медной основе - магний, никель, сурьма, цинк, кадмий, олово, индий и их сплавы; при серебряной основе - магний, сурьма, цинк, кадмий, таллий, олово, калий, литий, индий и их сплавы при цинковой основе - медь, сереброо, алюминий, магний, калий, натрий. При таком исполнении плавкого элемента его объем представляет композицию, состоящую из относительно тугоплавкой составляющей 1, образованной металлом основы плавкого элемента, и более легкоплавкой составляющей 2, образованной введенными ингредиентами., В частности, в рассматриваемом варианте исполнения, нерастворившаяся часть введенных в основной металл пла кого элемента ингредиентов в виде составляющей 2 выделяется (или располаг ется) в межкристаллитном пространстве кристаллитов металла составляющей 1 о ноаы плавкого элемента. Соотношение между ооъемами тугоплавкой ооставляющей 1 и легкоплавкой составляющей 2 в композиционном материале плавкого элемента выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к характеристикам плавкого элемента и мокет изменяться в широких пределах. Например, если для плавкого элемента наиболее важной характеристикой является высокая электро- и теплопроводность, то объем легкоплавкой составляющей 2 должен быть меньшим, чем объем тугоплавкой составляющей 1, Если же для плавкого элемента очен важно иметь как можно более низкую температуру срабатывания, то объем легкоплавкой составляющей 2 в материа ле может быть больше объема тугоплавкой°составляющей ,1, На фиг. 2-5 даны общий вид и струк тура разреза различных вариантов исполнения плавкого элемента, выполненного в виде проводника из материала на основе меди или серебра, или алюминия, или цинка, в материал основы которого введены легкоплавкие ингредиенты составляющей 2 не по всему плавкому элементу, а только на некотором его участке или участках 3. У такого типа плавких элементов возмой(ны четыре основных варианта исполнения участков 3: участок выполнен из сплава или металлокерамической сме си металла основы плавкого элемента в виде составляющей 1 и легкоплавких ингредиентов в виде составляющей 2 (фиг. 2); участок выполнен только из легкоплавких ингредиентов в виде соетавляющей 2 (фиг. 3); участок выполнен в в.иде двухслойной композиции,. из которой один слой состоит только из металла основы плавкого элемента 1 а второй слой - из сплава или металло керамической смеси металла, составляющей Л и легкоплавкой составляющей 2 (фиг. 4); участок выполнен в виде дву слойной композиции, из которых один слой состоит только из металла основы плавкого элемента составляющей 1, а второй слой только из легкоплавкой составляющей 2 (фиг. 5). На фиг. б даны общий вид и структу ра разреза одного из наиболее сложных вариантов исполнения плавкого элемента. Основное отличие этого варианта исполнения плавкого элемента от выше рассмотренных состоит в том, что сама тугоплавкая основа в виде составляюще 1 плавкого элемента представляет собо композицию в виде цепочки последовательно соединенных пластин, выполненHfcix из различных металлов - меди 4, серебра 5, цинка б, алюминия 7, в один из которых (или в каждый из которых) введены более легкоплавкие ингредиенты составляющей 2. Предлагаемый плавкий элемент рабог тает следующим образом. При номинальных токах и токах ниже пограничного плавкий элемент работает как обычный электропроводник. При пограничных токах и токах выше пограничного плавкий элемент, нагреваясь до температуры плавления легкоплавких ингредиентов 2, начинает быстро разрушаться (фиг. 7 - фиг. 10) сначала ограничивая, а затем и полностью прерывая электрический ток. Следовательно, при пограничных токах и токах выше пограничного температура разрушения, а следовательно, и темпет ; ратура срабатывания плавкого элемента в целом определяется температурой плав-, ления легкоплавкой составляющей 2 плавкого элемента. Так например,.плавкий элемент на основе меди, в который введены в качестве легкоплавких ингредиентов сплав, состоящий из 80 ма9.% РЬ и 20 мас.% Cot , имеет температуру срабатывания при пограничном токе л/2бООс (средняя температура плавкого элемента при. этом при длине 80 мм достигает 125°С). . Обладая достаточно вь1сокой электрои теплопроводностью при относительно малом объеме металла на токовую на- ; грузку, малым нагревом при номинальных токах и низкой температурой срабатывания при пограничных токах и токах, выше пограничного, а также очень малым старением в процессе эксплуатации, предлагаемые плавкие элементы позволя-. ют в предохранителях обеспечить достаточно высокую токоограничивающую и отключающую способность, уменьшить нагрев элементов конструкции и потери мощности, улучшить защитные.характеристики при токах, близких к пограничным, и добиться высокой стабильности всех указанных эксплуатационных характеристик в течение всего срока службы предохранителей. Предлагаемые плавкие элементы могут найти широкое применение в инерционных и быстродействующих предохранителяхФормула изобретения 1. Плавкий элемент предохранителя, выполненный из металла, а именно из металла на основе меди или серебра, или алюминия, или цинка и их сплавов или композиций, в который введены металлы или сплавы или металлокерамйческие композиции с температурой плавщ и и с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик введенные в плавкий элемент ингредиенты состоят из металлов, не образую щих с металлом основы интерметалличесхих соединений и растворимость ко торых в твердом металле основы при 400°С находится в пределах 0,00110,0 мас.%. 2.Элемент по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что металл осно вы и ингредиенты представляют собой сплай, ,. 3.Элемент по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю ш .и и с я тем, что в плавкий элемент дополнительно введены ингредиенты, которые с металлом основы образуют интерметаллические соединения или неограниченные твердые растворы, или огоаниченные твердые раствора с пределом растворимости в метеьпле основы, лежащим в интервале 10,085,0 мас.%, причем количество таких ингредиентов в сплаве или металлокерамической композиции составляет 0,0150,0 мас.% от общеймассы введенных ингредиентов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе : 1. Родштейн Л. А. Электрические аппараты низкого напряжения, Энергия 1971 стр. 244. 2. Кузнецов Р. С. Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 в, Энергия, 1970, стр. 336-337.

н

А-А

CZJ С

I .

о о

I I I 1

9utl

ч

оо

о о

Н

ui 2

Н

уГ fu S

АА

оооо

о О

оооо

.-4

Vui k

А-А

5

Н

-А

5

оо otS

О О

оооо

тЛ

9иг.6

uf7

Vui.S

9иг. 9

fui. 10