На чем основано действие плавкого предохранителя

Классика навсегда: современные плавкие предохранители и держатели-разъединители

Мы уже давно не меняем предохранители в бытовой аппаратуре, а отключение сети в результате перегрузки снимается щелчком переключателя. Тем не менее, в профессиональных применениях, когда речь идет о больших мощностях и необходимости обеспечить высокую надежность, по-прежнему используются плавкие предохранители. При этом данный вид электротехнических компонентов продолжает совершенствоваться, создаются новые модели, более удобные в использовании и имеющие лучшие технические характеристики.

Предохранители можно разделить на две большие группы. К одной из них относятся устройства, в которых применяется одноразовый рабочий элемент, требующий замены после каждого срабатывания. Наиболее распространенным типом предохранителей в данной категории являются плавкие предохранители. Обычно именно к плавким предохранителям для краткости применяют термин «предохранитель». К другой группе относятся устройства, в которых после срабатывания не надо ничего заменять – после некоторого промежутка времени они возвращаются в исходное состояние и могут снова использоваться. Это, в первую очередь, тепловые и электрические автоматы, которые обычно называют просто «автоматы». Наибольшее распространение получили тепловые автоматы, в которых при превышении заданного значения тока биметаллическая пластина нагревается выше определенного значения, контакты отходят друг от друга и происходит размыкание цепи. Также к данной группе относятся и так называемые самовосстанавливающиеся предохранители, основанные на свойстве некоторых полупроводников восстанавливать свои свойства после электрического пробоя.

Конструкция плавкого предохранителя

Принцип работы плавкого предохранителя основан на пропускании тока через проводник с заданным сечением (так называемый «плавкий элемент»). При превышении заданного значения тока проводник нагревается до температуры, при которой он плавится. При этом происходит разрыв цепи. В простейших моделях предохранителей расплавленные куски провода просто падают под действием собственной тяжести, но, если речь идет о больших мощностях, используются специальные элементы (обычно это пружина или грузик), быстро отводящие не расплавившиеся концы провода друг от друга, чтобы не возникла электрическая дуга.

Плавкие элементы бывают с постоянным и переменным сечением. В первом случае площадь и форма сечения не меняются по всей его длине. Как правило, это характерно для плавких вставок, изготовленных из проволоки. Во втором случае форма сечения неодинакова по всей длине. Это сделано для гашения электрической дуги, возникающей при расплавлении проводника. Обычно такие плавкие элементы изготавливают из металлической ленты.

Материал, из которого сделан плавкий элемент, влияет на свойства предохранителя. Лучше всего, если он сделан из серебра, но это дорогой материал, поэтому часто используют медь. При всех преимуществах использования медных проводов для электротехники, предохранители с ними не отличаются высокой долговечностью, если сила тока через них часто меняется. Дело в том, что медь от разрушения защищает тонкая оксидная пленка. Изменение силы тока влечет за собой изменение температуры и, соответственно, сжатие-расширение провода, что приводит к микротрещинам и отслоениям защитного оксидного слоя. Для борьбы с этим явлением используется специальное защитное покрытие для плавкого элемента. Более долговечным материалом для изготовления плавких элементов считается алюминий, поскольку у него оксидная пленка более прочно держится на поверхности плавкого элемента. Но плавкие вставки на основе алюминия сложнее в производстве, так как алюминий не поддается пайке. Еще одним материалом, из которого изготавливают плавкие элементы, является цинк. Важным преимуществом цинка является низкая температура плавления, что понижает требования по устойчивости к нагреву для других элементов предохранителя. Недостатком же цинка является более высокое сопротивление (в 3,4 раза больше, чем у меди), что увеличивает энергопотери. Также известна конструкция плавкой вставки, в которой медная проволока прерывается вставкой из оловянного шарика. При повышении температуры оловянный шарик расплавляется и цепь размыкается. В таких предохранителях корпус внутри наполнен кварцевым песком.

Рис. 1. Цилиндрическая плавкая вставка — недорогой вариант для номинального тока до 100 А

Конструкция плавкого предохранителя [1] состоит из плавкой вставки и основания для ее установки. Плавкой вставкой (рисунок 1) называют элемент предохранителя, который непосредственно осуществляет размыкание цепи. Обычно представляет собой корпус, в котором установлен плавкий элемент. В мощных плавких вставках также используется наполнитель для гашения электрической дуги. Контакты плавкой вставки – токоведущая часть, обеспечивающая электрическую связь с подводящими проводниками. Съемная часть предохранителя, предназначенная для удержания его плавкой вставки, называется держателем плавкой вставки. Держатель предохранителя – это сочетание основания предохранителя с держателем плавкой вставки. Бойком предохранителя называется механическое устройство в конструкции плавкой вставки, которое при срабатывании предохранителя освобождает энергию, необходимую для срабатывания других аппаратов (или указателей) или для воздействия на свободные контакты предохранителя.

В конструкции некоторых предохранителей предусмотрены ограничения по форме и/или размерам с целью предотвращения случайной установки в их основания плавких вставок, отличающихся по электрическим характеристикам от тех, которые обеспечивают предусмотренный уровень защиты.

Сравнение плавких предохранителей с автоматическими выключателями

Плавкие предохранители имеют некоторые преимущества по сравнению с автоматами. Самое главное — простота устройства. Из этого вытекают и другие преимущества. Отметим наиболее важные достоинства плавких предохранителей.

Рис. 2. Пример конструкции держателя-разъединителя

• Низкая стоимость. Конечно, на бытовом уровне, когда речь идет о токах, не превышающих 20 А, разница в стоимости тепловых автоматов и обычных «пробок» в абсолютном значении не очень велика. Но когда речь заходит о токах порядка 150 А и выше, то здесь уже стоимость автоматических предохранителей составляет значительную часть стоимости всей системы.
• Высокая надежность. Когда сила тока превышает заданное значение, плавкий предохранитель гарантированно разрывает цепь, каким бы сильным ни было это превышение. При использовании автомата превышение тока срабатывания более чем в 10 раз может привести к возникновению электрической дуги. Это, в свою очередь, приводит к обгоранию контактов автомата. При возвращении автомата в исходное положение, у него будет недопустимо большое сопротивление из-за обгоревших контактов. Большинство современных моделей автоматов имеют, по соображениям безопасности, неразборную конструкцию, не пригодную к ремонту. Поэтому после значительного увеличения тока нагрузки или же короткого замыкания дорогостоящие автоматы приходится заменять. Самым же неприятным сценарием развития ситуации является сваривание контактов автомата в электрической дуге. Тогда автомат не просто становится непригодным к последующему использованию, но и не может осуществить размыкание цепи в данный момент, что может привести к очень серьезным последствиям.
• Возможность быстрого восстановления подачи электроэнергии. Казалось бы, это не так, ведь на замену плавкой вставки требуется больше времени, чем на то, чтобы просто щелкнуть тумблером автомата. Но, с появлением таких устройств, как держатели-разъединители, о которых речь пойдет ниже (рисунок 2), восстановление энергоснабжения в системе, где установлены плавкие предохранители, действительно можно осуществить быстрее, чем в системе, оборудованной самым распространенным типом автоматических предохранителей — тепловыми автоматами. Для восстановления тепловому автомату требуется время, чтобы остыли контакты — до нескольких минут. Чем больше ток срабатывания автомата, тем больше это время. Держатель-разъединитель позволяет при необходимости заменить плавкую вставку за несколько секунд, конечно, если рядом находится оператор и под рукой есть исправная плавкая вставка.
• Лучшая защищенность от неправильных действий персонала. Для замены плавкой вставки после перегорания должен прийти квалифицированный специалист, имеющий при себе новую плавкую вставку. При этом он, как и положено, должен разбираться в причинах, вызвавших срабатывание предохранителя. В случае использования автомата снова включить подачу электроэнергии может любой сотрудник, причем он может это сделать, не разбираясь в причинах возникновения нештатной ситуации. Например, такая ситуация может возникнуть на конвейере завода, когда рабочие не хотят его остановки, которая может повлечь, например, уменьшение премии, и сами включают автомат. В итоге это может привести к еще более серьезной аварии. Конечно, и плавкую вставку при желании можно несанкционированно заменить «жучком», но эта процедура более длительная и сложная, чем включение автомата, поэтому сотрудника, занимающегося подобными делами, гораздо легче обнаружить.

Тем не менее, плавкие предохранители имеют и некоторые особенности эксплуатации:

• Одноразовость плавкой вставки. После срабатывания предохранителя плавкую вставку нужно заменить.
• При перегрузке или коротком замыкании в одной из фаз трехфазной сети остальные две фазы остаются включенными. Это при определенных условиях может привести к перекосу фаз. Для сравнения, в тепловых и электрических автоматах возможно одновременное отключение всех трех фаз при перегрузке или коротком замыкании в одной из них.
• В некоторых системах замена плавкой вставки происходит под напряжением, что требует использования специально обученного персонала. Решить эту проблему в ряде случаев можно использованием держателей-разъединителей.

Параметры плавких предохранителей

Номинальный ток плавкой вставки – значение тока, которое плавкая вставка может выдерживать в течение длительного промежутка времени, не разрушаясь.

Номинальное напряжение – значение максимально допустимого напряжения в электрической цепи, где установлен предохранитель, при котором обеспечивается его надежное срабатывание.

Коэффициент нагрузочных циклов показывает максимальное снижение номинального тока предохранителя после прохождения максимально допустимого количества циклов включения-выключения нагрузки.

Номинальная рассеиваемая мощность плавкой вставки (потери мощности в предохранителе). Из-за наличия у предохранителя электрического сопротивления на нем неизбежно происходит потеря мощности. Эта мощность рассеивается в виде тепла. Поэтому данный параметр не только характеризует эффективность предохранителя с точки зрения экономии электроэнергии, но и указывает, сколько тепла он будет выделять в процессе работы. Указывается значение потерь мощности, соответствующее номинальному току предохранителя.

Номинальная рассеиваемая мощность держателя – рабочее значение рассеиваемой мощности, которую может выдержать держатель предохранителя. Очевидно, что этот параметр не должен превышать номинальной рассеиваемой мощности плавкой вставки.

Ожидаемый ток цепи (относительно плавкого предохранителя) – ток в цепи в том случае, если включенный в нее плавкий предохранитель был бы заменен проводником, полным сопротивлением которого можно пренебречь.

Отключающая способность плавкого предохранителя – значение ожидаемого тока, способного отключить плавкий предохранитель при установленном напряжении в установленных условиях эксплуатации и обслуживания.

Категория применения. Каждому типу электрооборудования соответствует свой тип предохранителя, который должен использоваться совместно с ним. Этот параметр обозначается двумя буквами, первая из которых означает функциональный класс, а вторая — тип защищаемого оборудования.

Существует два функциональных класса предохранителей — “a” и “g”. Предохранители класса “a” размыкают цепь при токе от некоторого минимального значения до номинальной отключающей способности, поэтому они применяются, главным образом, там, где нужно обеспечить защиту от короткого замыкания. Предохранители класса “g” размыкают цепь в диапазоне токов от значения, при котором начинает плавиться вставка, и до номинального значения отключающего тока. Они используются как для защиты от короткого замыкания, так и для защиты от перегрузок.

Тип защищаемого оборудования:

• G — кабели и провода (устаревший вариант этого обозначения — L);
• M — двигатели и коммутационные аппараты;
• R — полупроводниковые приборы;
• B — оборудование для горных работ;
• T — трансформаторы;
• S — полупроводниковые приборы, кабели, линии.

Кроме этого, для некоторых специальных применений выпускаются предохранители с маркировкой «trag» (инерционные) или «flink» (быстродействующие).

Интеграл Джоуля – интеграл квадрата тока за определенный промежуток времени:

Обычно указывают интеграл Джоуля для отключения, который берется для времени от начала протекания тока, достаточного для плавления вставки, до момента срабатывания предохранителя. Данный параметр обозначается как I²t и выражается в A²c. Чем меньше этот параметр при равном номинальном значении тока, тем быстрее срабатывает предохранитель.

Для предохранителей, предназначенных для использования в цепях переменного тока, в технических характеристиках указываются действующие значения токов и напряжений. Применительно к некоторым моделям предохранителей параметры нормируются отдельно для постоянного и переменного тока.

Конструкция и использование держателей-разъединителей

Рис. 3. Держатель-разъединитель позволяет безопасно заменять плавкие вставки

Традиционно плавкие предохранители используются совместно с последовательно включенным размыкателем цепи с наглядной визуальной индикацией, т.е. рубильником. Отключение напряжения вручную позволяет осуществлять безопасную замену предохранителей. Но, при этом, в электрическую цепь добавляются дополнительные электрические провода, контакты и прочие соединительные элементы, на которых происходят потери энергии. Поэтому, когда речь идет о больших мощностях, нередко рубильник не ставится, а происходит замена плавких вставок в держателе, находящемся под напряжением, естественно, с соблюдением необходимых мер безопасности (рисунок 3).

Держатели-разъединители позволяют безопасно заменять плавкие вставки и при необходимости вручную отключать напряжение. При этом дополнительного рубильника не требуется.

Конструктивно держатели-разъединители представляют собой держатели для плавких вставок, которые позволяют безопасно вынимать и вставлять их в контакты. При этом такие устройства так же, как и рубильники, предусматривают наглядную демонстрацию режима «отключено». В положении «отключено» из держателя-разъединителя можно извлечь плавкую вставку, она не находится под напряжением.

Обзор продукции

В качестве примера рассмотрим плавкие предохранители и держатели-разъединители производства трех компаний, заслуженно пользующихся популярностью на российском рынке: Siemens, Eaton и ETI.

Как и полагается одной из ведущих электротехнических компаний мира, Siemens предлагает самый широкий ассортимент предохранителей. Открывают модельный ряд наиболее простые и дешевые плавкие вставки цилиндрической формы категорий gG и aM. Номинальное значение тока у них составляет, в зависимости от модели, 0,5…100 А, а напряжение — 400…500 В. Параметры данных плавких вставок нормируются только для переменного тока. Доступны типоразмеры 8×32, 10×38, 14×51 и 22×58 мм.

Рис. 4. Плавкие вставки цилиндрической формы

Для плавких вставок цилиндрической формы (рисунок 4) компания Siemens выпускает держатели на DIN-рейку. Предлагаются модели с полюсами 1P, 1P+N, 2P, 3P и 3P+N. Они могут быть как в варианте с индикатором срабатывания (кроме полюсов 3P+N), так и без него. Модульная ширина, в зависимости от модели, составляет 1…8 MW.

Основное преимущество данных плавких вставок цилиндрической формы, помимо дешевизны — полностью закрытая конструкция держателя. Благодаря такой конструкции практически исключена возможность непроизвольного прикосновения к токонесущим элементам. Недостатками являются относительно низкие номинальные значения тока и напряжения. Это связано со сложностями отвода тепла от корпуса и гашения дуги в простейших предохранителях.

Для напряжений до 690 В переменного тока и значения тока до 1250 A предназначены плавкие вставки серии LV HRC. Основания для них также крепятся на DIN-рейку, но плавкие вставки удерживаются в основании за счет пружинящих контактов. Сама конструкция предохранителя открытая, что обеспечивает эффективное охлаждение корпуса воздухом. Вставки серии LV HRC снабжены встроенным индикатором срабатывания.

Предлагаются вставки категорий gG и aM. Модульная ширина, в зависимости от модели, составляет 21…71.2 мм.

Параметры плавких вставок серии LV HRC категории gG нормируются как по переменному, так и по постоянному току. Для постоянного тока номинальное напряжение не превышает 440 В.

Специально для защиты полупроводниковых элементов предназначена серия плавких вставок и предохранителей SITOR. Главная ее особенность — нормирование значения I2t. В эту серию, в частности, входят цилиндрические вставки категории aR. Они предлагаются типоразмеров 10×38, 14×51, 22×58 мм без бойка и типоразмеров 14×51 и 22×58 мм с бойком. Номинальное значение тока, в зависимости от модели, составляет 1…100 А, а номинальное напряжение достигает 600…690 В переменного или 700 В постоянного тока. Как мы видим, номинальное напряжение для постоянного тока в серии SITOR выше номинального действующего напряжения переменного тока, в отличие от серии LV HRC. Это обусловлено оптимизацией плавких вставок под защиту полупроводниковых приборов.

Серия SITOR – плавкие вставки с ножевыми контактами (рисунок 5), предназначенные для установки в основания серии LV HRC или в разъединители. Данные модели относятся к категориям aR и gR, их номинальное напряжение, в зависимости от модели, может достигать 690 В, а ток — 1000 А (параметры нормируются только для переменного тока). Также выпускаются самостоятельные предохранители в виде единого блока, которым не нужно основание, и предохранители, которые могут использоваться как в качестве самостоятельных устройств (у них предусмотрена возможность привинтить провода непосредственно к контактам), так и устанавливаться на основание серии LV HRC.

Рис. 5. Плавкая вставка Siemens с ножевыми контактами

Рис. 6. Пример плавкой вставки типа D0

Помимо плавких вставок, в серию SITOR входят основания для цилиндрических вставок, а также два варианта держателей-разъединителей для DIN-рейки. Один из них выпускается в модификациях 1P, 2P и 3P для вставок без бойка. Другой выпускается только в модификации 1P и предназначен для вставок с бойком. Номинальное напряжение у обоих держателей-разъединителей составляет 690 В переменного тока.

Компания Eaton имеет более скромный ассортимент плавких вставок. Предлагаются цилиндрические вставки Z-C типоразмеров 10×38, 14×51, 22×58 мм и вставки Z-NH с ножевыми контактами. Для вставок Z-C номинальный ток, в зависимости от модели, составляет 1…100 А, номинальное напряжение — 690 В переменного тока. Для Z-NH номинальный ток составляет 10…630 А. Обе серии плавких вставок относятся к категории gG.

Но зато Eaton представляет на российском рынке несколько моделей держателей-разъединителей как для плавких вставок цилиндрической формы, так и для вставок с ножевыми контактами. Некоторые модели снабжены системой электронного мониторинга плавких вставок со светодиодной индикацией. Также в одной из моделей предусмотрена релейная сигнализация в случае срабатывания предохранителя.

Для повышения удобства и безопасности замены плавких вставок в держателях-разъединителях компания Eaton выпускает специальные картриджи с плавкими вставками Z-SLS типа D0 с номинальными напряжением до 400 В и током до 63 А. Следует отметить, что D0 (рисунок 6) — это наиболее распространенная серия плавкой вставки для предохранителей типа «пробка», то есть таких предохранителей, у которых используется держатель с резьбовым соединением. Картриджи позволяют реализовать такие преимущества типа D0 как малые размеры и малые потери мощности, но уже в новом формате, отличном от хорошо знакомых «пробок». Для них предназначена специальная модель держателя-разъединителя. Есть и низковольтный вариант Z-SLS для напряжений 24…60 В. Плавкие вставки Z-SLS и держатели-разъединители для них очень просты в обслуживании, что позволяет устанавливать их у конечных потребителей и даже в жилом секторе. Дополнительно облегчает обслуживание наличие модификации такого держателя-разъединителя с электронным мониторингом.

Большой ассортимент малогабаритных плавких вставок типа D0 категории gG (gL) поставляет на российский рынок компания ETI. Номинальное напряжение этих компонентов – 400 В переменного тока (250 В постоянного тока), номинальный ток, в зависимости от модели, — 2…100 А. При этом компания предлагает для них резьбовые держатели классической конструкции типоразмеров E14, E18 и M30x2. Преимуществами «пробок» по-прежнему остаются надежное крепление, безопасность использования (можно поменять плавкую вставку в цепи под напряжением, не прикасаясь к токонесущим узлам) и простота обслуживания. Современные полимерные материалы исключают «заедание» резьбового соединения и позволяют реализовать удобный, эргономичный дизайн.

Плавкие вставки D0 можно устанавливать и в держатели-разъединители VLD01, которые тоже выпускает ETI. Эти держатели-разъединители выпускаются в вариантах 1P, 1P+N, 2P, 3P и 3P+N. Особенностью VLD01 является возможность пломбирования разъединителя как во включенном, так и в выключенном положении. Предусмотрена индикация срабатывания предохранителя. Конструкция клемм VLD01 позволяет одновременно зажимать проводник и клемму, что позволяет уменьшить количество установочных изделий в системе.

ETI выпускает и цилиндрические плавкие вставки в стеклянных и керамических корпусах. Особый интерес представляет серия CH — вставки в керамических корпусах типоразмеров 14×51 и 22×58 мм. Номинальное напряжение — 400, 500 или 690 В. Номинальный ток — до 100 А. Предлагаются модели категорий gG и aM. Есть варианты вставок 14×51 мм с бойком (серия CH/P). Для цилиндрических предохранителей предусмотрена серия держателей-разъединителей VLC.

Также в ассортименте этой компании есть плавкие вставки с контактами ножевого типа — серия NV-NH. Их отличает очень высокий номинальный ток. В зависимости от модели он лежит в пределах 2…1600 А. Номинальное напряжение – 400, 500, 690 или 1000 В. Имеется встроенная индикация срабатывания. Предлагаются плавкие вставки категорий gG, aM и gT. Наличие в ассортименте ETI плавких вставок большой мощности, специально предназначенных для защиты трансформаторов, является большим преимуществом перед другими производителями. Высокое быстродействие предохранителей ETI позволяет отключать нагрузку менее чем за четверть периода тока.

Для плавких вставок с контактами ножевого типа компания ETI выпускает основания PK и PK1. Номинальное напряжение основания — 690 В переменного тока.

В ассортименте ETI есть и сверхбыстрые предохранители (рисунок 7), предназначенные для защиты полупроводниковой аппаратуры. Эти предохранители срабатывают за 10 мс при уровне тока в 5…6 раз больше номинального. При этом удается предотвратить такое неприятное явление, как взрыв IGBT-транзисторов. Для сравнения, обычные предохранители срабатывают за то же время лишь тогда, когда ток в 10…30 раз превысит номинальное значение, что увеличивает вероятность выхода из строя полупроводниковых элементов. К слову, столь высокое быстродействие, как у серии Ultra-Quick, реально получить только в плавком предохранителе – тепловые автоматы срабатывают медленнее. В сверхбыстрых предохранителях ETI используется плавкий элемент из серебра, что обеспечивает стабильность временных характеристик.

Рис. 7. Особенности сверхбыстрых предохранителей ETI

Сверхбыстрые предохранители ETI входят в серию Ultra-Quick. Они представлены категориями aR, gR, gS. Номинальный ток, в зависимости от модели предохранителя, может достигать 1400 А. По сравнению с другими производителями, у сверхбыстрых предохранителей ETI есть две важные особенности. Во-первых, ассортиментный ряд охватывает все основные типы плавких вставок: D0, D, C, BS, NV/NH. Предлагаются трубчатые плавкие вставки, предохранители с ножевыми выводами, предохранители для установки непосредственно на шину. Также предлагаются плавкие вставки NV/NH Gs, специально предназначенные для защиты частотных преобразователей и устройств плавного пуска. Во-вторых, более низкая цена. В среднем, сверхбыстрые предохранители ETI стоят на 10% дешевле аналогичных изделий производства таких компаний, как, например, Legrand или ABB.

Почему для сверхбыстрых предохранителей так важна цена? Их дороговизна связана как с использованием серебра, так и с более сложной технологией изготовления. Жесткая конкуренция на рынке электротехнического оборудования привела к тому, что ряд производителей такого оборудования отказываются от применения плавких предохранителей и оставляют только электронную защиту. Основная цель — снижение цены изделия. Тем не менее, параметры системы электронной защиты со временем меняются, да и надежность у нее не столь высокая, как у плавкой вставки. В итоге электрические машины быстрее изнашиваются. Поэтому наилучшим вариантом является сочетание плавкого предохранителя и электронной защиты. Более низкая цена на плавкий предохранитель позволяет установить конкурентоспособную цену на изделие.

Для плавких вставок серии Ultra Quick предлагаются держатели серии US и сигнальные контакты. Держатели данной серии выдерживают напряжение до 1000 В переменного тока.

Выводы

Сравнение ассортимента компаний Siemens, Eaton и ETI, представленных на российском рынке, показывает, что все три компании производят наиболее распространенные типы плавких вставок (цилиндрическая, с ножевыми контактами) и основы для них. У Siemens есть уникальная серия плавких вставок и держателей SITOR, оптимизированная для защиты полупроводниковых элементов. Аналогов этой серии у двух других компаний нет.

Представляют интерес держатели-разъединители Eaton на DIN-рейку, которые сделаны максимально удобными в использовании. Плавкие вставки D0 в картриджах и наглядная светодиодная система индикации срабатывания упрощают обслуживание предохранителей и позволяют рекомендовать их для установки у конечных потребителей.

ETI, в отличие от других компаний, указанных в обзоре, не отказывается о выпуска проверенной временем классики — держателей с резьбовым креплением («пробок»), сделав их более удобными благодаря применению современных материалов. Другой особенностью продукции ETI является наличие мощных плавких вставок с ножевыми контактами, предназначенных для защиты трансформаторов. Для цилиндрических плавких вставок ETI предлагает держатели-разъединители простой, но удобной конструкции. Большой интерес представляет линейка сверхбыстрых предохранителей Ultra Quick, которые имеют высокие технические характеристики при низкой цене. Благодаря плавкому элементу из серебра, обеспечивается высокая стабильность временных параметров.

На каком физическом явлении основано действие плавкого предохранителя?

На каком физическом явлении основано действие плавкого предохранителя? В чём состоит это явление?

Да тут несколько явлений, но главные два:

1. Под действием проходящего тока, проводник нагревается.
2. Проводник (любое вещество) имеет несколько агрегатных состояний, зависящих от температуры.

В данном случае, действие предохранителя основано на том, что от повышенного электрического тока, металлическая нить предохранителя нагревается выше точки плавления и меняет (теряет) свою пространственную структуру. Попросту говоря, плавкий предохранитель перегорает от тока перегрузки.

Что такое плавкие предохранители и для чего они необходимы?

Защита электрических цепей от КЗ и перегрузок является одной из самых важных задач в электротехнике. С этой целью изобретено множество защитных аппаратов, которые сегодня применяются как в силовых цепях, так и для защиты электрических схем в различных устройствах. Практически в каждом сложном электроприборе можно встретить плавкие предохранители – одноразовые коммутационные устройства, разъединяющие цепь в аварийной ситуации.

Назначение и принцип действия

Основная задача плавких предохранителей – защита электрической сети и электрооборудования от сверхтоков, возникающих при коротком замыкании или в результате критических перегрузок. При этом они обеспечивают бесперебойную работу защищаемых цепей в номинальном режиме.

В отличие от автоматического выключателя, часто применяемого в электротехнике, плавкая вставка срабатывает только один раз, после чего он подлежит замене. Однако срабатывает такое устройство со стопроцентной вероятностью, в то время как автоматика после многократного отключения может подвести. Именно поэтому для защиты дорогостоящего оборудования используют плавкие вставки. Не отказываются от применения этих защитных устройств и в силовых цепях.

Устройство и принцип защиты

В конструкции плавкого предохранителя есть два основных элемента: корпус (держатель) с контактами и плавкую вставку (рисунок 1). Строго говоря, только сочетание этих элементов можно называть предохранителем. Очень часто деталь плавкой вставки (особенно если она заменяемая) называют плавким предохранителем. В данной статье мы тоже иногда будем придерживаться этой традиции.

Рис. 1. Конструкция плавкого предохранителя

Рабочим элементом вставки является проводник из меди или сплава металлов. Благодаря этому плавкому элементу происходят отключения цепи в критических ситуациях.

В качестве плавкого элемента может быть одна или несколько медных проволок, пластина либо фигурная деталь. Эти проводники помещаются в жаропрочный корпус: стеклянный, керамический (рис. 2) или пластиковый. В зависимости от назначения, пространство вокруг плавкого элемента может быть заполнено кварцевым песком или окружено легкоиспаряющимся веществом, предназначенным для гашения электрической дуги.

Рис. 2. Керамические плавкие вставки

При прохождении номинальных токов через проволоку вставки, она незначительно нагревается, не достигая температуры плавления. Но в режиме короткого замыкания резко возрастает величина тока, что приводит к плавлению вставок. Это приводит к разрыву цепи.

Нагревание предохранителя происходит также при перегрузках, то есть в результате превышения номинального напряжения на защищаемом участке цепи. При достижении рабочих напряжений величины, называемой током отключения, температура плавкого элемента возрастает до точки плавления и цепь разрывается. После восстановления параметров цепи плавкую вставку необходимо заменить.

Плавкие вставки имеют некую инерционность срабатывания. При КЗ задержка незаметна, так как в этом случае плавкий элемент нагревается молниеносно.

Иначе обстоит дело в случаях с перегрузками. Для достижения температуры плавления требуется больше времени. Поэтому, чтобы повысить скорость срабатывания, элементам вставок придают специальную форму и нагружают их силами упругости (один конец пластины соединяют с растянутой пружиной).

В некоторых моделях под действием пружины наружу выходит штифт, называемый индикатором срабатывания (рисунок 3). Он выступает в роли указателя срабатывания и свидетельствует о том, что вставку надо менять.

Рис. 3. Строение плавкой вставки

Цифрами на рисунке обозначено:

• I – патрон;
• 2 – плавкая пластина;
• 3 – шарики из олова;
• 4 – плавкая вставка;
• 5 – кварцевый песок;
• 6 – пружина;
• 7 – текстолитовая шайба;
• 8 – спусковой механизм указателя срабатывания;
• 9 – колпачок;
• 10 – ободок колпачка;
• 11 – указатель срабатывания;
• 12 – асбоцементная прокладка;
• 13 – цементная заливка.

В ряде случаев для увеличения скорости срабатывания используют вставки с параллельно натянутыми проволоками разных диаметров. Перегорание самой тонкой проволоки увеличивает нагрузку на остальные элементы, ускоряя их плавление.

С целью снижения перенапряжений в некоторых конструкциях вставок применяют проволоки с разными сечениями отдельных участков. При срабатывании такого предохранителя, первым перегорает участок с наименьшим сечением вставки. Если пары расплавленного металла спровоцируют в точке разрыва электрическую дугу, то перегорит участок с большим сечением.

Конструктивные особенности предохранителей можно узнать по их маркировке. К сожалению, время-токовые характеристики наносятся не на все типы изделий. Но модели, на которые нанесены буквенно-цифровые коды, можно легко классифицировать по их назначению.

Маркировка

При выборе предохранителей важно знать диапазон защиты. Их всего 2: частичный и полный. При частичной защите предохранитель срабатывает только от токов КЗ. Полная защита включает также срабатывание от перегрузок.

В кодовой маркировке диапазоны защиты обозначены буквами «a» (частичный) и «g» (полный). Эти буквы стоят первыми перед цифрами, обозначающими номинальный ток.

На втором месте проставляются английские прописные буквы, которые обозначают:

• G — универсальный предохранитель. Применяется для защиты оборудования: трансформаторов, кабелей, электродвигателей;
• L — для кабелей и распределительных устройств;
• B — защита горнодобывающего оборудования;
• F — устройство для маломощных цепей;
• M — прибор для защиты цепей электромоторов и коммутирующих устройств;
• R — устройства для защиты полупроводниковых схем;
• S — моментальное сгорание при КЗ и среднее время срабатывания при перегрузках;
• Tr —трансформаторные предохранители.

Иногда на вставках проставляют только значения номинального тока. Такие предохранители применяются для защиты лишь от коротких замыканий.

Миниатюрные плавкие вставки маркируются в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 60127-1-2005. Согласно этому стандарту указывается номинальный ток и номинальное напряжение.

Перед показателем величины номинального тока проставляются буквенные символы:

• FF – сверхбыстродействующие предохранители;
• F – быстродействующие плавкие вставки;
• М – полузамедленные;
• Т – замедленные;
• ТТ – сверхзамедленные.

Допускается цветная маркировка. Пример такой маркировки показан на рис. 4.

Рис. 4. Цветовая маркировка миниатюрных предохранителей

Виды и устройство

В зависимости от решаемых задач классификация предохранителей может быть следующей (рисунок 5):

• ножевые предохранители;
• слаботочные плавкие вставки;
• вилочные предохранители;
• кварцевые;
• пробочного типа
• газогенерирующие.

Существуют также самовосстанавливающиеся предохранители, инерционные и откидывающиеся (рис. 6). Изделия инерционного типа предназначены для защиты электромоторов, которые при запуске создают большие нагрузки. Плавкие элементы нагреваются, но не перегорают. После того, как двигатель запустится, инерционный предохранитель переходит в режим ожидания.

Откидывающиеся вставки применяют в защите линий электропередач. В аварийных ситуациях плавкий элемент размыкает цепь. Под действием высокой температуры вставка удлиняется, в результате чего происходит давление на спусковой механизм, который отбрасывает предохранитель из его гнезда. Таким образом, обеспечивается надёжное отключение аварийного участка.

Рис. 6. Откидывающиеся плавкие предохранители

Устройство самовосстанавливающегося предохранителя отличается от других типов электрических аппаратов. Рабочим элементом изделия является полимер с положительным температурным коэффициентом расширения. Полимер содержит углеродистые включения, которые проводят ток.

При нагревании углеродные связи разрываются, в результате чего растёт электрическое сопротивление. При достижении температуры плавления полимера сопротивление стремится к бесконечности, то есть, цепь размыкается. При остывании возобновляется электропроводность полимера. Предохранитель самовосстанавливается.

Технические характеристики

Плавкие вставки идентифицируются двумя характеристиками: номинальным напряжением и величиной номинального тока. В промышленном оборудовании эти показатели могут достигать десятков киловольт и тысяч ампер.

В бытовых приборах применяются плавкие вставки, номинальное напряжение свободных контактах которых составляет:

• 110, 220 В – для постоянных токов;
• 220; 380 В – для переменного тока.

На контактах распространённых моделей номинальные токи составляют от 10 до 2500 А, а на концах плавких вставок – от 2 до 2500 А.

Что такое плавкий предохранитель и его назначение

Современные электрические сети и устройства отличаются сложностью и нуждаются в защите от перегрузок и коротких замыканий, которые могут случаться по самым разным причинам. Для того чтобы обеспечить защиту используют предохранители разного типа и дополнительные устройства.

Современный рынок предлагает большой выбор самого разного оборудования, но потребитель предпочитает использовать плавкие предохранители. Это связано с тем, что устройство обладает высокой степенью надежности, и отличается простотой в использовании. К тому же доступная цена радует каждого потребителя. Разумеется, для начала нужно узнать, как работает плавкий предохранитель.

Даже не смотря на то, что сегодня широко используются автоматические выключатели, плавкие предохранители все также привлекают внимание и сохраняют актуальность. Часто используется устройство для защиты автомобильной электросети, системы энергосбережения, электрической аппаратуры, промышленных электрических установок.

Во многих жилых домах можно до сих пор встретить подобное устройство. Интерес сохранится в первую очередь благодаря надежной работе, также немаловажную роль играет компактность изделия и стабильные характеристики. При необходимости произвести замену можно в самые сжатые сроки. И все же как работает плавкий предохранитель и для чего он нужен?

Для чего применяются плавкие предохранители

Назначение плавких предохранителей заключается в защите элементов и дополнительных устройств электроустановок, для этих же целей используется автоматические выключатели. При ненормальном режиме работы электрооборудования часто наблюдаются повреждения отельных узлов оборудования или всей системы. Часто плавкий предохранитель используют для защиты электрических кабелей и проводки, для того чтобы избежать перегрузок и короткого замыкания.

Принцип действия плавкого предохранителя заключается в том, что он сгорает ранее, чем успевают повреждаться другие элементы системы вследствие перегрузок. И это, несомненно, преимущество, так как намного проще произвести замену небольшого элемента, чем заниматься заменой электрической проводки, микросхем и дополнительных устройств. Нужно сказать, что ни один элемент не застрахован от перегрузок, и как следствие перегорания.

Плавким устройство называют потому, что в основе имеется плавкий элемент – специальная вставка. Она состоит из сплава с низкой температурой возгорания, и при незначительном замыкании теплоты хватает, чтобы расплавить данный элемент. Таким образом, цепь является разомкнутой и больше ничего не угрожает целостности всей системы.

Перегорание может происходить по самым разным причинам, это и просто короткое замыкание, и перегрузка, и скачки напряжения, что наблюдается весьма часто.

Помимо того что данный элемент защищает систему от повреждения, он еще и является защитой от возникновения возгорания и пожара. Плавкий предохранитель перегорает непосредственно в корпусе, в то время как электрическая проводка может соприкасаться с горючими и легковоспламеняющимися элементами.

Некоторые умельцы изготавливают жучок, чаще всего это просто кусок проволоки, который используется в качестве предохранителя. Это делается потому, что под рукой нет предохранителя, который будет соответствовать всем требованиям, а защиту каким-либо образом нужно обойти. Но специалисты не рекомендуют такой метод, потому как такой жучок может и вовсе не перегореть, а это повлечет за собой поломку системы и может довольно серьезную, или вовсе возникнет возгорание.

Принцип работы плавкий предохранителей

Перед приобретением нужно более детально узнать, как работает плавкий предохранитель. Великие ученые Ленц и Джоуль установили законы взаимных связей между величиной проходящего тока в проводнике и выделением теплоты. Зависимость сопротивления цепи при определенном промежутке времени помогла создать наиболее простые, но невероятно эффективные способы защиты. Принцип данного предохранителя заключается в тепловом воздействии тока на металл электрического провода. Через довольно тонкую вставку из металла проводится полный эклектический ток всей схемы.

При нормальном режиме работы специальная вставка удачно справляется со своим предназначением, но если же норма превышается, то проволока перегорает, тем самым цепь разрывается и напряжение снимается с потребителя. Заменив перегоревший элемент можно восстановить работоспособность всей системы при минимальных затратах как денежных средств, так и времени.

Изделие можно увидеть на конструкции радио или телеаппаратуры, где часто стеклянный и прозрачный корпус.

На концах изделия предусмотрены специальные металлические площадки, они в свою очередь создают контакт при монтаже в гнездо. Подобный принцип работы наблюдается в электрических пробках с плавкими вставками. Многолетняя практика показывает, что подобный метод действительно является невероятно эффективным и действенным.

Как работает плавкий предохранитель

Как известно, по принципу действия предохранители разделяют на автоматические и плавкие. Последний вариант – это обыкновенные пробки, и в быту они встречаются довольно часто. Это наиболее эффективный способ защиты и тут нет никаких причин для монтажа другого оборудования. Вкручивают их непосредственно возле счетчика, особенность изделия состоит в том, что цоколь такой же как и на обычной лампочке.

Уже после счетчика электрический ток расходится по всей квартире. Но стоит знать, что не только главный ввод, но и каждый отдельный контур следует защитить от короткого замыкания. Если речь идет о старых постройках, то тут зачастую используются пробки с тонкими токопроводящими вставками. И если нет никаких перепадов, и все работает в нормальном режиме, то данная вставка успешно работает и выполняет свои функции.

Если значение превышает номинал, то вставка просто перегорает, тем самым разрывается цепь. Для того чтобы восстановить нормальную работу, стоит просто произвести замену перегоревшего элемента. Для этого не нужно обращаться к специалисту, даже человек без особых навыков в состоянии произвести замену.

Что касается автоматики, то они сделаны в аналогичной форме. Но отличие заключается в том, что если наблюдаются скачки напряжения, то пробки отключаются в автоматическом режиме, и для восстановления работоспособности следует просто нажать кнопку.

Автоматический предохранитель типа ПАР изготовлен по аналогии с классическими пробками, и ввинчивается в патрон вместо плавкой модели. Наиболее популярная модель предохранителя ПАР в активном состоянии замыкает цепь центральным контактом и резьбовой гильзой посредствам электрического провода.

Проводка навивается на катушку электромагнита и связывается с биметаллической пластиной. Если наблюдается перегруз, и как следствие повышение температуры, пластина изгибается, а провод освобождается, тем самым происходит отключение. Кнопка автомата поднимается вверх, и это говорит о том, что механизм сработал и выполнил свою защитную функцию.

Устройство предохранителей

В составе изделия имеется патрон или корпус, который в обязательном порядке отличается электроизоляционными характеристиками. И дополнительно присутствует плавкая вставка. Концы последнего элемента соединяются с клеммами, а они в свою очередь отвечают за последовательное включение предохранителя в электрическую цепь.

Отталкиваясь от особенностей конструкции, плавкие предохранители разделяют на трубочные, патронные, пробочные, пластичные. На корпусе устройства имеется расчетная сила тока, которое может выдержать изделие.

Конструкция оснащается керамическим изолятором, иногда в качестве материала используется стекло, этот элемент предотвращает попадание газа и жидкого металла в окружающую среду. Корпус устойчив к высоким температурам и высокому давлению. Замена неисправных плавких вставок осуществляется весьма быстро, это предусмотрено особенностью конструкции.

Иногда предохранитель заполняют кварцевым песком, который предназначен для того чтобы в короткое время погасить дугу. В процессе перегорания плавкой вставки между проводниками возникает дополнительный разряд. Он в свою очередь ионизирует воздух, что поддерживает дугу. Кварцевый песок предотвращает возгорание.