Виды предохранителей в электроустановках: назначение, устройство и принцип действия

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим что такое предохранитель, его устройство, виды предохранителей и разные конструкции.

Любая электрическая система работает на балансе подводимой и потребляемой энергий. Когда в схему электрооборудования подается напряжение, то оно прикладывается к определенному сопротивлению цепи. В итоге на основании закона Ома вырабатывается ток, благодаря действию которого совершается работа.

При нарушениях изоляции, ошибках монтажа, аварийном режиме сопротивление электрической цепи плавно снижается или резко падает. Это ведет к соответствующему возрастанию тока, который при достижении величины, превышающей номинальное значение, причиняет вред оборудованию и человеку.

Вопросы безопасности всегда были и будут актуальны при использовании электрической энергии. Поэтому защитным устройствам постоянно придается повышенное внимание. Первые такие конструкции, названные предохранителями, широко используются до настоящего времени.

   Виды предохранителей

Электрический предохранитель является частью рабочей цепи, врезается в рассечку питающего провода, должен надежно выдерживать рабочую нагрузку и защищать схему от появления сверхнормативных токов. Эта функция заложена в основу его классификации по номинальному току.

По применяемому принципу действия и способу разрыва схемы все предохранители подразделяют на 4 группы:

1. с плавкой вставкой
2. электромеханической конструкции
3. на основе электронных компонентов
4. самовосстанавливающиеся модели с нелинейными обратимыми свойствами после действия сверхтоков

Плавкая вставка

Предохранители этой конструкции имеют в своем составе токопроводящий элемент, который под действием тока с величиной, превышающей номинальное установленное значение, расплавляется от перегрева и испаряется. Этим обеспечивается снятие напряжения со схемы и защита ее.

Плавкие вставки могут быть изготовлены из металлов, например, меди, свинца, железа, цинка или отдельных сплавов, обладающих таким коэффициентом термического расширения, который обеспечивает защитные свойства электрооборудования.

Работа плавкой вставки под расчетной нагрузкой обеспечивается созданием надежного баланса температур между теплом, выделяемым на металле от прохождения по нему рабочего электрического тока, и отводом тепла в окружающую среду за счет рассеивания.

При возникновении аварийных режимов это равновесие быстро нарушается. Металлическая часть плавкой вставки при нагреве увеличивает значение своего активного сопротивления. Это вызывает больший разогрев, поскольку выделяемое тепло прямо пропорционально величине I2R. При этом снова возрастает сопротивление и выделение тепла. Процесс продолжается лавинообразно до тех пор, пока не наступает расплавление, закипание и механическое разрушение плавкой вставки.

   Виды предохранителей, плавкая вставка

Основным эксплуатационным параметром плавкой вставки является его времятоковая характеристика, определяющая зависимость кратности аварийного тока (относительно номинального значения) ко времени срабатывания.

Для ускорения работы плавкой вставки при малых кратностях аварийных токов используются специальные технические приемы:

• создание форм переменного сечения с зонами уменьшенной площади
• применением металлургического эффекта

Изменение сечения

На сужениях пластин увеличивается сопротивление и создается большее выделение тепла. В нормальном режиме работы эта энергия успевает равномерно распространиться по всей поверхности, а при перегрузках создаются критические зоны на узких местах. Их температура быстро достигает состояния, при котором металл плавится и разрывает электрическую цепь.

Для увеличения быстродействия пластины делают из тонкой фольги и применяют их в несколько слоев, включенных параллельно. Перегорание любого участка на одном из слоев ускоряет срабатывание защиты.

Принцип металлургического эффекта

Он основан на свойстве отдельных легкоплавких металлов, например, свинца или олова, растворять в своей структуре более тугоплавкие медь, серебро и отдельные сплавы.

Для этого на многожильные проволочки, из которых делают плавкую вставку, наносят капли олова. При допустимой температуре металла проводов эти добавки не создают никакого эффекта, но в аварийном режиме они быстро расплавляются, растворяют часть основного металла и обеспечивают ускорение срабатывания предохранителя.

Эффективность этого способа проявляется только на тонких проводниках и значительно снижается при увеличении их поперечного сечения.

Основной недостаток плавкой вставки состоит в том, что при срабатывании ее необходимо вручную заменять новой. Для этого требуется поддерживать их запас.

Предохранители электромеханической конструкции

Принцип врезания защитного устройства в питающий провод и обеспечение его разрыва с целью снятия напряжения позволяет отнести созданные для этого электромеханические изделия к предохранителям. Однако, большинство электриков выделяет их в отдельный класс и называет автоматическими выключателями или сокращенно автоматами.

   Виды предохранителей

При их работе специальный датчик постоянно контролирует величину проходящего тока. После достижения критического значения подается управляющий сигнал на исполнительный механизм – взведенную пружину от теплового или магнитного расцепителя.

Предохранители на электронных компонентах

У этих конструкций функцией защиты электрической схемы занимаются бесконтактные электронные ключи на основе силовых полупроводниковых приборов из диодов, транзисторов или тиристоров. Их называют электронными предохранителями (ЭП) или модулями контроля и коммутации тока (МККТ).

В качестве примера на видео ниже рассказывается принцип работы предохранителя на транзисторах.

Такие электронные предохранители отличаются быстродействием, их время срабатывания не превышает 30 миллисекунд.

Рассмотренная выше схема считается простой, она может быть значительно расширена новыми дополнительными функциями:

• непрерывного контроля тока в цепи нагрузки с формированием команд на отключение при превышениях тока более 30% номинальной величины
• отключения защищаемого участка в случаях возникновения коротких замыканий или перегрузок с выдачей сигнала при увеличении тока в нагрузке выше 10% от установленной уставки
• защит силового элемента транзистора при возникновении температур более 100 градусов

У таких схем используемые модули МККТ по времени срабатывания делятся на 4 группы. Самые быстродействующие устройства относят к классу «0». Они отключают превышающие уставку токи на 50% за время до 5 мс, на 300% — за 1,5 мс, на 400% — за 10мкс.

Само-восстанавливающиеся предохранители

Эти защитные устройства отличаются от плавких вставок тем, что после отключения аварийной нагрузки они сохраняют свою работоспособность для дальнейшего многократного использования. Поэтому их назвали само-восстанавливающимися.

За основу конструкции взяты полимерные материалы, обладающие положительным температурным коэффициентом для электрического сопротивления. Они обладают кристаллической структурой решетки при обычных, нормальных условиях и резко переходят в аморфное состояние при нагреве. Характеристика срабатывания такого предохранителя обычно приводится в форме логарифма сопротивления в зависимости от температуры материала.

Когда полимер имеет кристаллическую решетку, то он хорошо, как металл, пропускает электрический ток. В аморфном состоянии проводимость значительно ухудшается, чем обеспечивается отключение нагрузки при возникновении ненормального режима.

Такие предохранители используются в защитных устройствах для ликвидации возникающих многократных перегрузок там, где замена плавкой вставки или ручные действия оператора затруднительны. Это сфера автоматических электронных устройств, широко используемых в компьютерных технологиях, мобильных гаджетах, измерительной и медицинской технике, транспортных средствах.

На надежную работу само-восстанавливающихся предохранителей оказывает влияние температура окружающей среды и величина протекающего сквозь него тока. Для их учета введены технические термины:

• ток пропускания, определяемый как максимальное значение при температуре +23 градуса Цельсия, которое не приводит к срабатыванию устройства
• ток срабатывания, как минимальная величина, которая при той же температуре приводит к переходу полимера в аморфное состояние
• максимальное значение приложенного рабочего напряжения
• время срабатывания, измеряемое от момента возникновения аварийного тока до отключения нагрузки
• мощность рассеивания, определяющая способность предохранителя при +23 градусах передавать тепло в окружающую среду
• первоначальное сопротивление до подключения в работу
• сопротивление, достигаемое через 1 час после окончания срабатывания.

Само-восстанавливающиеся предохранители обладают:

• небольшими габаритами
• быстрым срабатыванием
• стабильной работой
• комбинированной защитой устройств от превышений токов и перегрева
• отсутствием необходимости в обслуживании

Виды предохранителей, разновидности конструкций предохранителей

В зависимости от задач предохранители создают для работы в цепях:

• промышленных установок
• бытовых электроприборов общего назначения

Поскольку они работают в цепях разного напряжения, то корпуса изготавливают с отличительными диэлектрическими свойствами. По этому принципу предохранители подразделяют на конструкции, работающие:

• с низковольтными устройствами
• в цепях до 1000 вольт включительно
• в схемах высоковольтного промышленного оборудования

К специальным конструкциям относят предохранители:

• взрывные
• пробивные
• с погашением дуги при размыкании цепи в узких каналах мелкозернистых наполнителей или образования автогазового либо жидкостного дутья
• для транспортных средств

Ограничиваемый предохранителями аварийный ток может составлять от долей ампера до килоампера.

Иногда электрики вместо плавкой вставки в корпус устанавливают калиброванную проволоку. Этот способ не рекомендуется применять потому, что даже при точном подборе поперечного сечения электрическое сопротивление проволоки может отличаться от рекомендованного из-за свойств самого металла или сплава. Такой предохранитель не будет точно работать.

Еще большей ошибкой считается применение самодельных «жучков» наудачу. Они чаще всего бывают причиной несчастий и пожаров, возникающих в электропроводке.

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

принцип действия, типы устройств и назначение

Предохранитель — это устройство, которое защищает электронику от чрезмерно высокого напряжения или же короткого замыкания. Этот элемент является одноразовым. После срабатывания его необходимо утилизировать и установить в приборе новый. Уже давно существуют автоматические выключатели, которые можно использовать много раз. Они не выходят из строя и продолжают корректно работать. Но предохранители и сейчас используются повсеместно.

Устройство элемента

Сетевые электропредохранители применяются не только в электронике, но и в системах электросети. Любой тип конструкции имеет три составные части:

• Корпус.
• Контакты.
• Непосредственно плавкий элемент, благодаря которому функционирует устройство.

Плавкий элемент — это материал, проводящий электрический ток, который выполнен из легкоплавкого сплава. Этот проводник имеет определённое электрическое сопротивление, из-за чего происходит выделение тепла во время прохождения по нему тока. Если значение ниже предусмотренного характеристиками, то температуры будет недостаточно для того, чтобы проволока расплавилась. Назначение и типы устройств плавких предохранителей могут быть разными.

Когда значение превышает номинальный порог срабатывания, плавкий элемент расплавляется, что ведёт за собой разрыв цепи. Скорость этого процесса обусловливается силой тока, проходящего через проводник. По маркировке предохранителя можно понять, какие характеристики были заданы заводом во время производства. Это позволит определить время, через которое сработает аварийное отключение при определённом показателе нагрузки. Такая информация необходима людям, проектирующим защитное оборудование.

Корпус предназначается не только для соединения элемента в устройстве. Во время срабатывания часто может появиться электрическая дуга. Корпус выполняет задачу по её гашению. Контакты необходимы для подсоединения защитного оборудования к элементам, через которые подаётся электричество на электроустановки. Чем больше площадь самого контакта, тем меньше вероятность, что произойдёт нагрев на соединении. Зачастую они выполнены из меди или латуни со специальным анодированным покрытием.

Принцип работы

Проводник, размещённый внутри корпуса, зачастую делается из какого-либо чистого металла, например, цинка или же меди. Защита оборудования основана на том, что токопроводящие металлы благодаря сопротивлению нагреваются во время подключения к электричеству. Этот эффект работает по такой схеме:

1. При недостаточном значении тока проволока или пластина успевает равномерно распределить тепло. Это позволяет сохранить целостность.
2. Чрезмерная сила тока очень быстро нагревает проводник. Повышение температуры этого элемента устройства способствует возрастанию сопротивления.
3. Большее сопротивление приводит к ещё большему нагреву. При достижении температурного порога проводник разрушается и цепь обрывается.

Благодаря такому свойству происходит расплавление вставки, расположенной внутри предохраняющего устройства. В зависимости от типа предохранителей и сферы использования размер, форма и сечение проводящего элемента различаются. Для бытовых нужд применяется очень тонкая проволока. В приборах, рассчитанных на огромную силу тока, используются толстые пластины.

Классификация основных видов и типов

Плавкие проводники имеют разные типы и виды конструкции. Каждый из них предназначен для выполнения защитных функций для определённых приборов. По типу конструкции они подразделяются на такие:

• наполненные;
• ненаполненные.

Под наполнением подразумевается, что внутри корпуса будет какое-либо вещество, способное погасить электродугу. Размыкание цепи происходит только после полного гашения. Поэтому корпус обычно наполняется кварцевым песком

В ненаполненных происходит выделение газов, благодаря которым тухнет дуга. Этот процесс запускается во время нагрева корпуса. Также есть и дополнительные виды защитных конструкций. Список разновидностей:

1. Слаботочные. Их используют только в приборах с низкими показателями мощности, которые потребляют ток до 6 ампер. Это цилиндры, имеющие на концах контакты.
2. Вилочные. Их применяют, чтобы предохранить оборудование в автомобилях. Название они получили из-за своего внешнего вида.
3. Пробковые. Они выполняют свои действия в однофазных сетях. Самым простым примером будут электрические пробки. Всё ещё бывает, что вместо автоматических выключателей применяются аналоговые устройства, сделанные из керамики. Внутри корпуса устанавливается такой предохранитель. Он способен разрывать цепь для всего дома. После срабатывания отключается электроснабжение всех приборов.
4. Трубчатый предохранитель состоит из двух контактов, между которыми располагается крепление. Это ненаполненное устройство, где корпус выполнен из фибры. В случае перегрева происходит выделение газа.
5. Ножевые. Такие устройство рассчитаны на ток силой от 100 до 1200 А. Их применяют там, где необходима большая нагрузка. Наиболее распространённым примером является предохранитель fu1.
6. Кварцевые. Внутрь корпуса помещают кварцевый песок. Такие защитные механизмы используется в сетях, где показатели напряжения достигают 36 кВт.
7. Газогенерирующие, разборные, а также неразборные.

Подбирается предохранитель с учётом нагрузки на сеть. Мощные устройства устанавливают в трансформаторных будках. Они не сгорают при показателях тока, способных обеспечить весь жилой массив электропитанием. Устройства со слабой мощностью ставят на отдельные дома или квартиры. В некоторых бытовых приборах также может использоваться слаботочный предохранитель.

Гашение дуги в корпусе

Многие не знают, для чего нужен предохранитель, у которого внутри ничего нет. Их используют только для небольших токов. При разрыве соединения на таких показателях не возникает дуга, которая может нанести вред электрооборудованию. Когда вставка расплавляется, затухание происходит самостоятельно.

С увеличением нагрузки появляется потребность в принудительном гашении. Если этого не будет, она не погаснет, а короткое замыкание никуда не исчезнет. В случае аварии цепь не отключится. Дуга расплавит контакты, распылит при этом микрочастицы металла по всему корпусу, из-за чего получится контактный мостик. Аварийная сеть будет подпитываться по нему до тех пор, пока не сработает следующий этап защиты оборудования.

Чем дольше компенсируется короткое замыкание, тем пагубней будут его последствия. Поэтому на погашение дуги необходимо обращать особое внимание. Существует два основных способа, благодаря которым этот процесс происходит быстро:

1. Изготовление корпуса из фибры.
2. Заполнение кварцевым песком.

В первом способе используется слоистый материал. Фибра — это спрессованный картон, который на первом этапе изготовления пропитывается хлористым цинком. Такие изделия отлично переносят воздействие ацетона, бензина, спирта и имеют высокие изоляционные свойства.

Главным достоинством такого материала для применения в предохранителях является то, что он во время возгорания выделяет газы, которые способны заблокировать горение. Они смешиваются с плазмой дуги, чем сильно усложняют движения электронов. Происходит резкое увеличение сопротивления, благодаря чему процесс прекращается. Эти предохранители называются газогенерирующими. Помимо фибры, может применяться и винипласт.

Следующий метод основывается на заполнении корпуса защитного устройства кварцевым песком. Этот материал имеет температуру плавления в 1700 градусов по Цельсию. Также он является хорошим диэлектриком. После того как проводник перегорит, дуге придётся проходить между песчинками, что значительно увеличит её длину. Также песок забирает тепло. Кварцевая защита получила широкое распространение. Её используют до сих пор. Предохранители из фибры можно встретить только в устаревших устройствах.

Высоковольтные предохранители

Использование защиты для электрических установок с высоким напряжением позволяет значительно упростить и снизить стоимость конструкции. В качестве альтернативы могут применяться релейные устройства. Но это намного дороже, чем монтаж предохранителя. На высоковольтных установках к быстродействию предохранителей предъявляют очень высокие требования. Чтобы они срабатывали быстрее, металлический элемент соединяется с пружиной. В корпус помещают кварцевый песок.

Когда плавкая вставка перегорает, пружина отпускается и быстро сокращается. Это в короткие сроки увеличивает длину дуги. Так процесс гашения ускоряется в несколько раз. Также обязательным элементом в конструкции является узел, который осуществляет контроль исправности. Когда на низковольтных предохранителях осуществляется проверка, просто берётся индикатор или тестер. Проверить работоспособность высоковольтного предохранителя таким способом не выйдет. Возле него нельзя находиться близко, а указатели напряжения не могут дать корректные результаты.

Для того чтобы понять, исправен ли предохранитель, в его корпусе есть специальный индикатор, который выскакивает при перегорании. Его можно увидеть на безопасном расстоянии. На низковольтных устройствах индикация сделана только для удобства эксплуатации.

Также существует ещё одна проблема в сетях, показатели которых превышают 1000 В. Она заключается в том, что появляется неполнофазный режим, когда происходит расплавление элемента на одной фазе. Трансформаторы остаются работать на двух фазах. При этом выдаётся несимметричное напряжение, которое способно привести в негодность электроприборы потребителей.

Чтобы такой проблемы не возникало, применяют специальные предохранители, в конструкции которых есть бойки на каком-либо торце. Этот элемент находится на напряжённой пружине. Он освобождается в то же время, когда перегорает вставка. Эти устройства дополнены отключающими планками. В работающем состоянии контакты удерживаются специальной защёлкой. Благодаря отключающей планке во время удара она выбивается. Такая система отбрасывает контакт в отключённое положение.

Полупроводниковые приборы

Из-за развития полупроводникового оборудования возникла дополнительная проблема. Никакое устройство, работающее по механическому принципу, не может вовремя отключить подачу электричества. Это касается и плавких предохранителей. В современной технике довольно часто применяются диоды и транзисторы. Такие приборы можно перегружать только несколько десятков миллисекунд. После превышения этого порога оборудование выйдет из строя.

Полупроводниковые предохранители предназначены для того, чтобы минимизировать пагубное воздействие перегрузок на электронику в инверторах, преобразователях, а также различных устройствах с плавным пуском.

Такие предохранители перегреваются значительно быстрее, чем плавкие металлы. Но у них есть и недостаток. Во время срабатывания такая защита не может гарантировать разъединение цепи. Подача электричества на устройство прекращается, но не до конца. Поэтому необходимо в комплексе применять ещё и автоматический выключатель. Он монтируется перед полупроводниковым предохранителем.

Самовосстанавливающиеся проводники

Бывает, что после перегрузки в электросети цепь можно снова подключить без какого-либо вреда через определённое время. Это довольно важно для различных микропроцессоров и микроконтроллерного оборудования. Для этих цепей применяют предохранители с самовосстановлением.

В основе лежит состав, в который входит углерод и полимер. С помощью углерода возможно обеспечить необходимую степень проводимости, но сам предохранитель имеет сопротивление. Если сила тока превышает номинальные показатели, то самовосстанавливающиеся элементы нагреваются, из-за чего полимер переходит в газообразный вид. При этом происходит значительное расширение. Связь между частицами углерода разрывается. Электричество уже не может проходить через предохранитель. После остывания весь состав переходит в базовую форму. Частицы углерода снова восстанавливают контакт, и предохранитель можно использовать.

Создание индикатора перегорания

На рынке есть специальные предохранители, которые предназначаются для автомобилей. Они оборудованы индикатором неисправности. Непосредственно в корпусе устройства установлена маленькая лампа накаливания или же светодиод. Индикация начинается тогда, когда происходит перегорание предохранителя. Такое устройство можно сделать и самостоятельно.

Чтобы это выполнить, необходимо подключить через параллельное соединение к контактам защитного устройства какой-либо светодиод. Делать это нужно через миниатюрную лампочку, которая должна работать от напряжения в 12 вольт. Также можно применять токоограничивающий резистор.

Индикатор устанавливается непосредственно в корпусе или же сбоку, на колодке держателя. Лучше выбирать второй вариант, потому что во время замены отсекающего устройства сам индикатор не нужно будет перемещать. Следует помнить, что он не будет гореть при испорченном предохранителе, если к нему не подведена нагрузка.

Индикация может работать и на устройствах, функционирующих от бытовой электрической сети в 220 вольт. Для этого необходимо использовать резистор со значениями сопротивления до 500 кОм. Также, чтобы защитить светодиод, нужно в схему добавить любой диод, который рассчитан на обратное напряжение со значениями от 300 вольт. В этом случае отлично подходит устройство от отечественного производителя КД109Б.

принцип действия, устройство, виды, назначение

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

Виды предохранителей

Плавкий предохранитель – первое устройство, примененное в электрических цепях для защиты от замыканий и перегрузок. Возникновение этих аварийных режимов работы неизбежно. Какой бы новой и качественной не была электроустановка, всегда сохраняется шанс на повреждение ее изоляции и подключение избыточной мощности к сетям питания.

Предохранитель является одноразовым компонентом. После срабатывания либо он сам, либо его плавкая вставка подлежат утилизации и замене новыми. Этих недостатков лишены автоматические выключатели, отключающие аварийные режимы работы сети снова и снова, без разрушения и выхода из строя. Но предохранители применяются в электроустановках до сих пор.

Этому способствуют его достоинства:

• простая конструкция, дешевая в изготовлении;
• удобство эксплуатации;
• выход из строя предохранителя невозможен – в нем просто нечему ломаться. Поэтому отказов в их работе не бывает, что повышает надежность работы защиты.

Устройство предохранителя

Предохранитель любой конструкции состоит из трех частей: корпуса, контактной части и плавкого элемента.

Плавкий элемент представляет собой проводник из легкоплавкого материала. При прохождении тока через предохранитель на плавком элементе, обладающем электрическим сопротивлением, выделяется электрическая мощность в виде тепла. Если ток ниже номинального, то тепла недостаточно для расплавления металла, из которого изготовлена вставка.

При превышении током порога срабатывания происходит расплавление вставки, сопровождающееся разрывом цепи. Разрыв происходит тем быстрее, чем больший ток проходит через предохранитель. Для каждого из них заводы-производители приводят время-токовую характеристику, по которой можно определить, за какое время произойдет отключение аварийного режима с заданной кратностью превышения номинального тока. Эта информация используется проектировщиками для расчета работы защит с применением предохранителей.

Корпус предохранителя служит не только для механической связи его элементов между собой. При перегорании плавкой вставки неизбежно возникает электрическая дуга. Задача корпуса предохранителя – не допустить ее распространение и погасить как можно скорее.

Назначение контактной системы – обеспечить надежное разъемное соединение защитного устройства с токопроводами электроустановки. Площадь контакта должна быть максимально возможной, чтобы снизить переходное сопротивление и исключить нагрев соединения. Для контактных систем предохранителей используются латунь и медь с анодированным покрытием.

Гашение дуги в корпусах предохранителей

Простейшие модели не содержат внутри ничего, кроме воздуха. Но и рассчитаны они на небольшие токи, отключение которых не сопровождается образованием дуги с опасными для электрооборудования характеристиками. При расплавлении вставки она гаснет самостоятельно.

С повышением тока, отключаемого предохранителем, возникает необходимость принудительного гашения дуги внутри корпуса. Иначе она не погаснет, продолжая подпитывать короткое замыкание. Аварийная цепь не будет отключена: дуга, расплавив контактную систему, распылит частицы металла по поверхности корпуса, образовав контактный мостик. По нему продолжит протекать ток короткого замыкания, пока не сработает вышестоящая защита, либо окончательно не расплавятся токопроводы. В лучшем случае время отключения аварийного режима работы затянется в разы.

Чем больше время отключения короткого замыкания, тем больше вреда оно принесет. Поэтому гашению дуги внутри предохранителя уделяют особое внимание.

Первым методом, позволяющим сократить время отключения короткого замыкания, было изготовление центральной части полого корпуса предохранителя из фибры. Это слоистый материал, состоящий из картона, спрессованного с целлюлозной массой, предварительно пропитанной хлористым цинком. Изделия из фибры стойки к воздействиям бензина, спирта, керосина, ацетона, а также обладают изоляционными свойствами.

Но главное достоинство деталей из фибры, обусловившее ее распространение в электротехнике – при воздействии пламени дуги она выделяет смесь газов, блокирующих процесс ее горения. Газы, смешиваясь с ионизированной плазмой дуги, затрудняют движение заряженных частиц в ней. Сопротивление токопроводящего канала резко возрастает, дуга гаснет. Такие предохранители называют газогенерирующими, а кроме фибры для их изготовления используется еще и винипласт.

Следующим способом, применяемым для ускорения работы предохранителя, является заполнение корпуса кварцевым песком. Температура плавления кварца – около 1700 градусов, к тому же он – отличный диэлектрик. При перегорании плавкой вставки дуга, увеличиваясь в объеме, распространяется между песчинками. Ей приходится их обходить по замысловатой и сложной траектории, в результате длина ее увеличивается. Дополнительно происходит отбор тепла дуги материалом наполнителя, что способствует деионизации канала и скорейшему погасанию разряда.

Кварцевые предохранители получили наибольшее распространение в электроустановках и применяются до сих пор. Газогенерирующие предохранители распространены меньше и встречаются только в устаревших распределительных устройствах.

Высоковольтные предохранители

Применение предохранителей для защиты электроустановок высокого напряжения значительно упрощает и удешевляет их конструкцию. Альтернативой этому является устройство полноценной релейной защиты. А для ее работы требуются датчики: трансформаторы тока и трансформаторы напряжения. Их задача – снизить измеряемые величины до безопасных значений, с которыми могут работать реле и микропроцессорные терминалы. Все это в совокупности оказывается на порядки дороже, чем установка предохранителей.

Но к быстродействию предохранителей в электроустановках выше 1000 В предъявляются еще более жесткие требования. Для скорейшего отключения их плавкую вставку прикрепляют к пружине, соединенной с одним из контактных выводов. Корпус заполняется кварцевым песком.

При перегорании вставки пружина освобождается и резко сокращается. За счет этого длина участка горения дуги быстро увеличивается. Гашение происходит быстрее.

Дополнительным и обязательным для высоковольтных предохранителей устройством является узел контроля исправности. Чтобы безопасно проверить низковольтный предохранитель, можно воспользоваться индикатором, указателем напряжения или тестером. При необходимости можно отключить рубильник и измерить сопротивление между контактами защитного устройства.

Но проверить исправность высоковольтного предохранителя так не получится. Приближаться к нему нельзя. Использование указателей напряжения не дает достоверных результатов. Если плавкими вставками защищен силовой трансформатор, указатель покажет за перегоревшим предохранителем напряжение, наведенное на потерявшей питание обмотке с обмоток других фаз. При проверке исправности вставок на кабельной линии указатель засветится от остаточного заряда, сохраняющегося из-за большой емкости кабеля.

Для индикации срабатывания защиты из корпуса предохранителя выскакивает индикатор, хорошо видимый на расстоянии, безопасном для осмотра. На низковольтных предохранителях для удобства обслуживания тоже применяются индикаторные устройства, сигнализирующие о перегорании плавкой вставки.

Другой проблемой, существующей при использовании предохранителей в сетях выше 1000 В, является возникновение неполнофазного режима из-за перегорании вставки в одной фазе. Оставшиеся в работе на двух фазах силовые трансформаторы выдают на низковольтной обмотке несимметричное напряжение, грозящее вывести из строя электроприборы потребителей.

Если проблема актуальна, при перегорании одной вставки отключают питание полностью. Для этого используют специальные предохранители с бойками на одном из его торцов. Боек подпружинен и освобождается одновременно с перегоранием плавкой вставки. В паре с такими устройствами применяются выключатели нагрузки, имеющие отключающие планки. Во включенном положении контактная система выключателя удерживается защелкой. При ударе бойка по отключающей планке защелка выбивается. Система отключающих пружин выключателя отбрасывает его контактную систему в отключенное положение. По выскочившему из корпусу бойку определяют фазу, из-за замыкания в которой произошло отключение.

Полупроводниковые предохранителя

Развитие силовой полупроводниковой техники обозначило еще одну проблему. Ни одно механическое защитное устройство, включая плавкие предохранители, не способно своевременно отключить аварийный режим работы устройств, содержащих мощные диоды или транзисторы. Перегрузка этих приборов возможна лишь ограниченное время – десятки миллисекунд. При превышении этого времени прибор разрушается.

Чтобы свести к минимуму повреждения электроники в частотных преобразователях, инверторах или устройствах плавного пуска применяют полупроводниковые предохранители. Их p-n-переход перегорает быстрее, чем любая плавкая вставка. Но есть у них особенность – срабатывая, полупроводниковый предохранитель не дает полной гарантии разъединения цепи. Ток через нее прекращается, но не полностью: перегоревший полупроводниковый предохранитель имеет некоторое сопротивление. Поэтому для безопасной эксплуатации перед ним устанавливают еще один коммутационный элемент – автоматический выключатель. Они осуществляет резервирование полупроводниковой защиты, а также используется для гарантированного снятия напряжения с устройства для проверки исправности или замены предохранителей.

Самовосстанавливающиеся предохранители

В некоторых случаях после перегрузки цепи ее можно без вреда включить обратно через некоторое время. Это актуально в микропроцессорной и микроконтроллерной технике. Для защиты таких цепей используют предохранители с самовосстановлением.

В состав этих устройств входит полимерная масса, смешанная с углеродом. Углерод обеспечивает требуемую проводимость, но само устройство в целом имеет сопротивление проходящему через него току. При превышении этим током установленного порога состав токопроводящей смеси нагревается, полимер переходит в аморфное состояние, увеличиваясь в размерах. Связь частиц углерода между собой разрывается, ток через предохранитель прекращается.

После остывания полимера токопроводящий состав приходит в первоначальную форму. Контакт восстанавливается, устройство вновь готово к работе.

Оцените качество статьи: