Принцип работы предохранителя

Плавкий предохранитель -- элемент электросети, выполняющий защитную функцию. В отличие от автоматического выключателя после каждого срабатывания он нуждается в замене размыкающей цепь детали. Плавкая вставка, которая сгорает при превышении допустимого значения номинального тока, должна быть выбрана с учетом нагрузки на сеть.

Принцип работы и назначение плавких предохранителей

Внутри вставки предохранителя находится проводник из чистого металла (меди, цинка и пр.) или сплава (стали). Защита цепей основана на физическом свойстве металлов нагреваться при прохождении тока. Многие сплавы обладают и положительным коэффициентом термического сопротивления. Его эффект заключается в следующем:

• когда ток ниже номинального значения, предусмотренного для проводника, металл равномерно нагревается, успевая рассеивать тепло, и не перегревается;
• слишком большая сила тока приводит к сильному нагреву, а повышение температуры металла вызывает увеличение его сопротивления;
• из-за возросшего сопротивления проводник нагревается еще интенсивнее, а при превышении температуры плавления разрушается.

На этом свойстве основана плавка вставки, помещенной в электрический предохранитель. В зависимости от сферы применения форма и сечение проводника могут быть разными: от тонкой проволоки в бытовых и автомобильных приборах до толстых пластин, рассчитанных на силу тока в несколько тысяч ампер (А).

Компактная деталь защищает электрическую цепь от перегрузки и короткого замыкания. При превышении допустимого для сети (т. е. номинального) тока происходит разрушение вставки и разрыв цепи. Восстановить ее работу можно только после замены элемента. Когда есть дефект в подключенном оборудовании, предохранители сгорают сразу после включения неисправного прибора, позволяя определить причину. Если в сети произошло короткое замыкание, защитное устройство срабатывает так же.

Условное графическое обозначение на схеме

Согласно Единой системе конструкторской документации России, на графических схемах электроцепей плавкие предохранители обозначают прямоугольником, внутри которого проходит прямая линия. Ее концы соединяются с 2 частями цепи до и после защитного устройства.

В документации к приборам импортного производства можно встретить и другие обозначения:

• прямоугольник с отделенными частями в торцах (стандарт IEC);
• волнистая линия (IEEE/ANSI).

Виды и типы плавких предохранителей

Для применения в электроцепях используют разные типы и разновидности ПП. Выпускаемые в России изделия отличаются по типу конструкции:

• наполненные с маркировкой ПН-2; ППН, НПН и т. п.;
• ненаполненные (ПР-2).

Понятие наполненности связано с наличием внутри отдельных видов вставок вещества, гасящего электродугу, возникающую в момент перегорания проводника. Цепь будет разомкнута только после ее исчезновения. Поэтому в колбах, наполненных ПП, находится кварцевый песок. Ненаполненные способны выделять газы, гасящие дугу. Это происходит при нагреве материала корпуса вставки.

Кроме типов, различают виды ПП:

1. Слаботочные применяют в маломощных бытовых приборах с потребляемым током силой до 6 А. Это цилиндрические вставки с контактами на торцах.
2. Вилочные ПП часто ставят в автомобили. Название обусловлено внешним видом: контакты находятся на одной стороне корпуса и вставляются в разъемы, как вилка в розетку.
3. Пробковые -- распространенные в однофазных сетях электрические пробки для счетчика. Номинальный ток таких вставок составляет 63 А, они рассчитаны на единовременное включение нескольких бытовых приборов. Перегорающая вставка в таком предохранителе находится внутри керамического корпуса с патроном, снаружи остается 1 контакт, а другой соединяется с контактами пробки. При превышении нагрузки деталь сгорает, полностью обесточивая квартиру. Восстановить электроснабжение можно, заменив вставку на новую.
4. Трубчатый ПП по строению напоминает вставку для пробок, но его крепление выполнено между 2 контактами. Тип такого предохранителя -- ненаполненный, а корпус сделан из фибры, которая при сильном нагреве выделяет газ.
5. Ножевые предохранители рассчитаны на величину тока 100-1250 А и применяются в сетях, где нужна высокая нагрузка (например, при подключении прибора с мощным двигателем).
6. Кварцевые, с наполнением кварцевым песком, применяются в сетях с напряжением до 36 кВ.
7. Газогенерирующие, разборные и неразборные. При сгорании разновидностей ПСН, ПВТ происходит мощное выделение газа, сопровождающееся хлопком. ПП применяют для сетей с напряжением 35-110 кВ. Номинальный ток такого ПП -- до 100А.

В зависимости от общей нагрузки на сеть устанавливают разные виды ПП -- более мощные ставят в специальных трансформаторных будках, они могут выдерживать ток, обеспечивающий потребности жилого массива иди предприятия. Маломощные монтируют в счетчиках: они защищают отдельные квартиры. В старых бытовых приборах тоже может быть установлен ПП (слаботочный), но современная техника содержит эти элементы редко.

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.

Рис. 5. Виды плавких предохранителей

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.

Преимущества и недостатки

К достоинствам плавких предохранителей относятся:

• • полная гарантия отключения аварийного участка цепи;
  • стабильность технических характеристик защиты;
  • можно применять для избирательности;
  • быстродействие;
  • безотказность;
  • простота конструкции.

Основные недостатки:

• в трёхфазных сетях возможен перекос фаз;
• вероятность длительного горения дуги;
• влияние окружающей среды (температуры) на характеристики плавких вставок;
• сложность в настройках селективной защиты;
• необходимость замены вставки после каждого срабатывания защиты.

Видео в развитие темы