Wpływ warunków chłodzenia na obciąŜalność długotrwałą. Ogólna budowa

W warunkach rzeczywistych aby BKT miał duŜą obciąŜalność (rzędu 1 – 2 kA/mm² ciepło z topika musi być skutecznie odprowadzone do styków wkładki i dalej do otoczenia.

Częściami współpracującymi bezpośrednio z wkładką są doprowadzenia prądu, w związku z tym muszą spełniać wiele funkcji: umoŜliwić pewne zamocowanie wkładki krótkotopikowej, zapewnić stałą i powtarzalną siłę docisku do wkładki, umoŜliwić dołączenie doprowadzeń prądu z układu zasilającego, a najwaŜniejszą funkcją jest skuteczne odprowadzenie ciepła z WKT.

Traktując BKT jako zabezpieczenie „Ŝycia” moŜna nie stosować podstawy bezpiecz-nikowej, a wkładkę zacisnąć między szyny doprowadzające prąd. Szyny te spełniają wówczas rolę „radiatorów” odbierających i rozprowadzających ciepło generowane we wkładce. Gdyby ich zdolność rozpraszania ciepła okazała się zbyt mała moŜna uŜyć specjalnych dodatkowych radiatorów. Rozwiązanie takie przedstawiono schematycznie na rysunku 4.21.

Rys. 4.21. Elementy składowe BKT: 1 – doprowadzenia prądu, 2 – okucia (radiator) chłodzące wkład-kę krótkotopikową (WKT) uŜywane w przypadku niedostatecznej wydajności chłodzenia poprzez szyny doprowadzające prąd, 3 – wkładka krótkotopikowa z rys. 4.17, 4 – styk pomiędzy wkładką krótkotopikową a okuciem chłodzącym i doprowadzeniem prądu

1 2

3 4

Do poprawnej pracy BKT potrzebna jest właściwa współpraca z okuciami chłodzący-mi, gdyŜ w czasie pracy bezpiecznika praktycznie cała wydzielona moc jest do nich oddawa-na. W rzeczywistym układzie moc jest przekazywana od topika poprzez styki wkładki krót-kotopikowej do szyn doprowadzających prąd. Z szyn energia musi być następnie rozproszona do otoczenia. Poprawienie skuteczności odprowadzenia ciepła moŜna dokonać przez zainsta-lowanie na szynach dodatkowego specjalnego radiatora (rys. 4.21). Z prostego rachunku wy-nika, Ŝe szyny powinny rozpraszać od 30 do 200 W strat dla bezpiecznika pracującego przy prądzie 2,5 kA (dla topika o długości 1 mm i średnicy 0,9 mm). Jak widać przyjęcie załoŜe-nia, Ŝe temperatura topika, a więc działanie BKT zaleŜy wyłącznie od zdolności rozpraszania ciepła przez styki bezpiecznika i stykające się z nimi elementy wyznacza istotną funkcję do spełnienia tym elementom. Przeprowadzona symulacja miała określić wpływ intensywności chłodzenia na obciąŜalność długotrwałą BKT dla temperatury otoczenia 20 ºC. Styki bez-piecznika ze względów ekonomicznych nie powinny być duŜe, więc na obciąŜalność BKT wpływają głównie szyny łączące i elementy konstrukcyjne. W takim przypadku utrudnieniem dla przepływu ciepła jest cieplna rezystancja przejścia pomiędzy nimi. W modelu określono wpływ rezystancji cieplnej (intensywności chłodzenia) pomiędzy okuciem a otoczeniem na obciąŜalność BKT. Modelowano topik długości 1 mm i średnicy 0,3 mm. Obliczenia te doko-nano w programie FLUX. Model odpowiadał budowie BKT przedstawionemu na rys. 4.21. z dobudowanymi dodatkowymi radiatorami poprawiającymi intensywność chłodzenia wkładki krótkotopikowej (załącznik 1), radiator posiadał symetrię osiową i średnicę 200 mm, grubość Ŝebra i odległość pomiędzy Ŝebrami wynosiła 10 mm. Przekrój szyny doprowadzającej prąd wynosił 314 mm². W symulacji temperatury otoczenia 20 ºC. Badano wpływ powierzchni bocznej na temperaturę topika (o danym współczynniku oddawania ciepła), następnie znając boczną powierzchnię wymiany ciepła z otoczeniem wyznaczono cieplną rezystancję przejścia pomiędzy BKT a otoczeniem.

Rys. 4.22. Prąd graniczny BKT w funkcji cieplnej rezystancji przejścia pomiędzy otoczeniem a oku-ciem BKT

Na rys. 4.22. przedstawiono wpływ cieplnej rezystancji przejścia na prąd graniczny.

Linią przerywaną zaznaczono obciąŜalność BKT w przypadku nieskończenie dobrego odpro-wadzania ciepła z topika (końce topika mają temperaturę otoczenia). Z wykresu widać, Ŝe zastosowanie takiego okucia, które będzie miało rezystancję R_{th r-a} mniejszą niŜ 0,2 K/W nie wpłynie istotnie na obciąŜalność BKT. W takim przypadku obciąŜalność BKT z wyŜej zdefi-niowanym topikiem wynosi ok. 360 A. Bez dodatkowego radiatora wkładka posiada R_{th r-a} = 160 K/W, co powoduje znaczne ograniczenie oddawania ciepła do otoczenia skutku-jąc tym, Ŝe moŜe długotrwale przewodzić prąd o wartości tylko 65 A. Odpowiadaskutku-jąca gęstość prądu topika dla okucia o R_{th r-a} = 0,08 K/W wynosi 5320 A/mm², a bez dodatkowego chło-dzenia tylko 919 A/mm², przy czym teoretyczna maksymalna gęstość prądu przy idealnym odprowadzaniu ciepła wynosi 5489 A/mm².

Zwiększanie skuteczności chłodzenia tak, aby zmniejszyć R_{th r-a} poniŜej 0,2 K/W nie wpływa istotnie na zwiększenie obciąŜalności BKT, to jednak ma duŜy wpływ na temperaturę na powierzchni styków (radiatora) wkładki krótkotopikowej, co pokazano na rys. 4.23. W takim przypadku jeŜeli trzeba zachować temperaturę na powierzchni ogranicznika poniŜej 100 ºC np. w pomieszczeniach o szczególnym obostrzeniu odnośnie bezpieczeństwa aparatów elektrycznych to trzeba zastosować takie rozwiązanie chłodzenia, aby miało ono Rth r-a poniŜej 0,09 K/W. Wówczas powierzchnia ogranicznika nagrzeje się do 70 ºC. Wkładka bez dodat-kowego radiatora nagrzewa się do 1030 ºC juŜ przy prądzie tylko 65 A. Poziomą linią

zazna-0 .zazna-0 zazna-0 zazna-0 1 0 .0 0 1 0 . 0 1 0 .1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0

R_{th r-a} [K/W]

I_Gr [A]

388 A

czono temperaturę otoczenia 20 ºC którą mógłby osiągnąć BKT w przypadku nieskończenie dobrego odprowadzania ciepła (dla temperatury końców topika równych 20 ºC).

Rys. 4.23. Temperatura na powierzchni BKT w funkcji cieplnej rezystancji przejścia pomiędzy oto-czeniem a BKT. Poziomą linią zaznaczono temperaturę otoczenia 20 ºC

Intensywność chłodzenia naleŜy dobierać równieŜ sprawdzając nie tylko temperaturę topika przy obciąŜeniu prądem roboczym, ale równieŜ sprawdzając, aby przy takim obciąŜeniu po-wierzchnia BKT nie przekroczy dopuszczalnej temperatury. W praktyce moŜe się okazać, Ŝe temperaturę na powierzchni BKT naleŜy ograniczyć do dopuszczalnej wartości (np. w po-mieszczeniach zagroŜonych poŜarem itp.) to moŜe wymagać zastosowania odpowiednio bar-dziej skutecznego chłodzenia niŜ takie, które tylko zapewnienia odpowiednią obciąŜalność BKT. Opierając się na wcześniej opisanych załoŜeniach, Ŝe w odbieraniu ciepła z BKT biorą udział głównie doprowadzenia prądu, naleŜy przy projektowaniu BKT uwzględnić gorsze odprowadzanie ciepła ze względu na pogorszenie się warunków zewnętrznych (np. zwiększe-nie temperatury otoczenia, zabrudzezwiększe-nie itp.). Dla podzwiększe-niesienia skuteczności chłodzenia i zmniejszenia objętości BKT moŜna rozpatrywać inne sposoby chłodzenia np. przez chłodze-nie cieczą. Aby rozwaŜania uchłodze-niezaleŜnić od wpływu zmiennych warunków chłodzenia przy-jęto, Ŝe styki BKT oddają ciepło do idealnej chłodnicy o nieograniczonej zdolności odbierania ciepła.

0 .0 0 0 1 0 .0 0 1 0 .0 1 0 .1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0

0 4 0 0 8 0 0 1 2 0 0

R_{th r-a} [K/W]

T [ºC]

20 ºC