Что такое плавкий предохранитель и для чего он служит
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.
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:
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:
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:
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):
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:
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:
Основные недостатки:
Плавкие предохранители. Виды и устройство. Работа и применение
Компонент одноразового применения защищает источник тока от излишней нагрузки, и является наиболее слабым звеном электрической цепи. Плавкие предохранители входят в состав практически всех электросетей. Это устройство состоит из отрезка проволоки, сечение которого рассчитано на прохождение тока определенной величины. При возникновении чрезмерной нагрузки в цепи, плавкий элемент расплавляется и разрывает цепь.
Основными свойствами предохранителя являются: номинальное напряжение, номинальный ток, предельно допустимый ток.
Некоторые люди считают, что качество предохранителя зависит от толщины проволоки в нем. Но это не совсем так. Неквалифицированный расчет толщины плавкой вставки легко становится причиной пожара, так как кроме самого предохранителя нагреваются и провода, составляющие цепь. Если поставить предохранитель со слишком тонкой проволокой, то он не обеспечит нормального функционирования и быстро разорвет цепь.
Принцип действия
Плавкие предохранители включают в промежуток электрической цепи таким образом, что по ним проходит общий ток нагрузки этой цепи. До превышения верхней границы тока проволочный элемент теплый, либо холодный. Но, при появлении в цепи значительной нагрузки или возникновения короткого замыкания величина тока значительно повышается, расплавляет плавкий проволочный элемент, что приводит к автоматическому разрыву цепи.
Плавкие предохранители действуют в 2-х режимах, отличающихся между собой:
Маркировка
Обозначение предохранителей представляют две буквы. Рассмотрим подробнее маркировку плавких предохранителей.
Первая из букв определяет интервал защиты:
Вторая буква определяет вид защищаемого устройства:
виды и устройство
Слаботочные вставки
Эти предохранители служат для защиты электрических устройств небольшой мощности с потреблением тока до 6 А.
Первая цифра – наружный диаметр, 2-я – длина предохранителя.
Вилочные предохранители
Служат для использования в автомобилях, и защищают их цепи от перегрузок. Вилочные вставки изготавливаются на напряжение до 32 В. Внешний вид их конструкции сдвинут в сторону, так как контакты находятся с одной стороны, а плавкая часть с другой.
Пробковые вставки
Применяются в жилых домах, работают при токе до 63 А.
Такие плавкие предохранители используют для приборов освещения, защиты бытовых устройств, счетчиков, маломощных электродвигателей. Они отличаются от трубчатых вставок методом крепления.
Трубчатые вставки
Такие вставки изготавливают в закрытом виде с корпусами из материала – фибры, которая образует газ, создающий большое давление, разрывающее цепь.Контакты.
Ножевые предохранители
Рабочий ток достигает 1,25 кА. Типоразмеры ножевых видов:
Кварцевые
Этот вид вставок является токоограничивающим, не образующим газов, служит для внутреннего монтажа. Предохранители кварцевого вида выполняются на напряжение до 36 киловольт.
Патрон закрывается с помощью колпачков, обеспечивая герметичность. К наполнителю предъявляются определенные требования:
Таким требованиям отвечает песок из кварца. Плавкий элемент выполняется из меди с покрытием серебром. Из-за значительной длины плавкий элемент навивают в виде спирали.
Газогенерирующие
К такому виду относятся разборные предохранители ПР, стреляющие вставки для внешней установки ПСН, выхлопные ПВТ для трансформаторов.
Вставка ПР служит для монтажа внутри помещений в устройствах до 1000 вольт. Она состоит из:
При сгорании вставки под воздействием электрической дуги образуется значительное количество газа. Его давление возрастает, дуга гаснет в потоке газа. Вставка выполняется V-образной формы, так как во время сгорания узкого места образуется меньшее количество паров металла, препятствующего погашению дуги.
Термопредохранители
Этот вид вставок является одноразовым устройством. Он служит для защиты дорогих элементов оборудования от перегрева выше границы установленной температуры. Внутри корпуса размещены термочувствительные материалы, что обеспечивает установку вставок в цепях с большим током.
Принцип работы заключается в следующем. В нормальном режиме вставка имеет сопротивление, равное нулю. При нагревании корпуса от защищаемого устройства до температуры сработки повреждается термочувствительная перемычка, которая разрывает цепь питания устройства. После сработки нужно произвести замену термопредохранителя и устранить причину поломки.
Такие плавкие предохранители стали популярными в бытовых электрических устройствах: тостерах, кофеварках, утюгах, а также в климатическом оборудовании.
Общие особенности
Плавкие предохранители отличаются по свойствам срабатывания от номинального тока. Плавкие предохранители имеют инертность срабатывания, поэтому у профессионалов они часто применяются для селективной защиты вместе с электрическими автоматами.
Правила регулируют защиту воздушных линий так, чтобы вставка срабатывала за 15 с. Важной величиной служит время разрушения проводника при работе с током, превышающим установленное значение. Чтобы снизить это время, некоторые конструкции предохранителей имеют предварительно натянутую пружину. Она разводит края разрушенного проводника, во избежание возникновения электрической дуги.
Корпуса предохранителей производят из прочных сортов керамики. Для малых токов применяют вставки с корпусами из стекла. Корпус вставки играет роль основной детали. На ней закреплен плавкий элемент, указатель срабатывания, контакты, таблица с данными. Также корпус выступает в качестве камеры погашения электрической дуги.
Устройство плавкого предохранителя
Плавкий предохранитель необходим для того, чтобы обеспечить безопасность и защиту различным элекроцепям, от возможно возникших в них замыканий или опасных перегрузок. Такие предохранители очень дешевые, так как имеют самую простейшую конструкцию своего строения. Также они являются самыми популярными защитными устройствами, придуманные для защиты электрооборудования.
Он состоит из корпуса, обычно из металла или керамики и проволоки из плавкого металла. Ее выводы соединены с контактами, то есть имеет последовательное включение в электроцепь. При возрастании тока до критического уровня, проволока расплавляется, тем самым размыкая цепь. В статье будет рассмотрено устройство этих предохранителей и как их использовать на практике. В качестве бонуса, статья содержит несколько видеороликов и одну подробную статью по электротехнике.
Два основных типа
В теории и практике плавкие предохранители разделяются на два основных типа. Такое деление происходит по величине напряжения рабочей сети, для которой предназначен предохранитель. Разделяют низковольтные и плавкие высоковольтные предохранители. Низковольтные предохранители рассчитаны на напряжение до 1000 Вольт. Маркируются плавкие низковольтные предохранители, как ПН или ПР. Материал плавких вставок предохранителей представлен в таблице ниже.
Применение предохранителей ПН и ПР
Предохранители ПН и ПР предназначены для защиты кабельных и воздушных линий электропередач и защиты электрических машин. Устанавливаются предохранители во вводных, вводно-распределительных щитах, в различных сборках. С помощью предохранителей защищаются силовые трансформаторы со стороны высокого напряжения. В быту вы сталкивались с плавкими предохранителями этого типа, если делали электрику своими руками в доме или на даче.
В зависимости от мощности потребления, на вводе электропитания в дом, ставится вводной щит с плавкими предохранителями. Уже после вводного щита, устанавливается распределительный щит для разделения электропроводки на группы и защитой групп розеток и групп освещения автоматами защиты.
Устройство предохранителей
Плавкий предохранитель представляет собой однополюсный коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от сверхтоков; действие его основано на плавлении током металлической вставки небольшого сечения и гашении образовавшейся дуги.
Предохранители пробочного типа
Подключение пробочного предохранителя
В подключении пробочного предохранителя своими руками нет ничего сложного. У предохранителя две клеммы. На вводную клемму подключается фазный провод питания, на вторую фазный провод подающий питание в квартиру или дом.
Номиналы устройства
Номиналы плавких предохранителей выбираются по наименьшим расчетным токам электросети или отдельных электрических цепей. Если вы меняете плавкие предохранители на автоматические выключатели (АВ), то номинал АВ должен быть на шаг больше номинала предохранителя. Все плавкие предохранители, должны быть подписаны с указанием их номиналов и назначения.
Классификация аппаратов
Плавкий предохранитель представляет собой однополюсный коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от сверхтоков; действие его основано на плавлении током металлической вставки небольшого сечения и гашении образовавшейся дуги. Ценными свойствами плавких предохранителей являются:
Поэтому в электроустановках свыше 1 кВ предохранители имеют ограниченное применение; их используют в основном для защиты силовых трансформаторов, измерительных трансформаторов напряжения и статических конденсаторов. Плавкий предохранитель состоит из следующих основных частей: изолирующего основания или металлического основания с изоляторами, контактной системы с зажимами для присоединения проводников, патрона с плавкой вставкой. Большинство предохранителей имеет указатели срабатывания той или иной конструкции.
Предохранители характеризуют номинальным напряжением, номинальным током и номинальным током отключения. Следует различать номинальный ток плавкой вставки и номинальный ток предохранителя (контактной системы и патрона). Последний равен номинальному току наибольшей из предназначенных к нему вставок. Для предохранителей переменного тока с номинальным напряжением от 3 до 220 кВ включительно установлены следующие значения номинальных токов:
Под номинальным током отключения следует понимать наибольшее допускаемое действующее значение периодической составляющей тока КЗ, отключаемого предохранителем при определенных условиях. Отечественные аппаратные заводы выпускают плавкие предохранители для напряжений до 110 кВ включительно. Наибольшая температура частей предохранителя, заряженного любой из предназначенных для него плавких вставок, не должна превышать значений, указанных в табл.1 при температуре воздуха +40°С.
Расчет мощности
Плавкая вставка выбирается с таким расчетом, чтобы она плавилась раньше, чем температура проводов линии достигнет опасного уровня или перегруженный потребитель выйдет из строя. По конструктивным особенностям различают пластинчатые, патронные, трубочные и пробочные предохранители. Сила тока, на который рассчитана плавкая вставка, указывается на ее корпусе. Оговаривается также максимально допустимое напряжение, при котором может использоваться предохранитель.
Данная кривая снимается экспериментально: берется партия одинаковых предохранителей, которые последовательно пережигаются при разных токах. Замеряются время, по истечении которого вставка перегорает, и ток, проходящий через вставку. Каждому току соответствует определенное время перегорания вставки. По этим данным и строится временная характеристика.
Наверное, все из нас видели керамические «пробки», которые заворачиваются в щиток электросчётчика. До недавнего времени, а иногда и сейчас они ещё служат в качестве устройств защиты. По личному опыту – неоднократно сталкивался с такой схемой включения – в щитке две пробки, одна стоит в фазном проводе, вторая – в нулевом. Но какая схема включения категорически неправильна! Ни в коем случае нельзя включать предохранитель в нулевой провод. Ведь что происходит, если именно он выйдет из строя – цепь разоврётся и будет защищена, но потребители всё равно будут под потенциалом сети – фаза-то присутствует. А это уже вопросы электробезопасности.
Несмотря на то, что плавкие предохранители отслужили свой срок и морально устарели в качестве устройств защиты во вводах бытового сектора, на протяжении всего времени существования они достойно выполняли данную функцию. Плавкие предохранители, конечно справляются со своими функциями защиты от превышения потребляемого тока или короткого замыкания. Однако, на сегодняшний день, особенно в бытовом секторе, плавкие вставки становятся раритетом.
Плюс ко всему – это довольно опасные в пожарном плане устройства. Ведь сегодня многие считают себя электриками и при перегорании «пробки» некоторые «специалисты» устанавливают «жучки» из некалиброванной проволоки. Причём, иногда, довольно экзотические. Характерный пример я описывал в предыдущем обзоре. А чем всё это чревато – далеко ходить не нужно – посмотрите хронику ЧП по любому телеканалу. Поэтому вполне закономерно, что на смену плавким вставкам пришли более надёжные устройства – автоматические выключатели.
Кварцевые предохранители
Длина проволок и, следовательно, длина патрона определяются номинальным напряжением. Поскольку градиент восстанавливающейся электрической прочности промежутка в кварцевом песке относительно невелик, длина проволоки должна быть велика. Чтобы поместить ее в патроне, приходится навивать проволоку винтообразно.
Характеристики тугоплавких вставок из меди (температура плавления 1080°С) могут быть улучшены напайкой капель олова или свинца, температура плавления которых значительно ниже (соответственно 200 и 327°С). При расплавлении металла напайки он растворяет в себе медь, вследствие чего вставка быстро разрушается при температуре значительно более низкой, чем температура плавления основного материала вставки.
Как показал опыт, этим требованиям в наибольшей мере отвечает кварцевый песок. Процесс отключения цепи токоограничивающим предохранителем при КЗ протекает следующим образом. При большом токе тонкая проволока плавится и испаряется в течение долей полупериода почти одновременно по всей длине. Зажигается дуга. Вследствие высокой температуры газа в канале дуги образуется местное давление (давление в патроне практически не повышается). Ионизованные частички металла выбрасываются в радиальном направлении в зазоры между песчинками кварца. Здесь они быстро охлаждаются и деионизуются.
Как видно из осциллограммы, напряжение у зажимов предохранителя превышает напряжение сети вследствие появления ЭДС самоиндукции, направленной согласно с напряжением сети. Коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении цепи плавкими предохранителями, не должны превышать следующих значений:
Номинальное напряжение, кВ……3..6..10..20..35
Наибольшее допустимое перенапряжение по отношению к земле, кВ……16..26..40..82..126
Для ограничения перенапряжения принимают различные меры: применяют вставки ступенчатого сечения по длине, что затягивает процесс их плавления и удлинения дуги; параллельно основным рабочим вставкам включают вспомогательные вставки с искровым промежутком. В последнем случае при расплавлении рабочих вставок и резком повышении напряжения пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также сгорает. Максимальное напряжение при этом уменьшается.