Для чего применяются плавкие предохранители

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.

Эти предохранители служат для защиты электрических устройств небольшой мощности с потреблением тока до 6 А.

Первая цифра – наружный диаметр, 2-я – длина предохранителя.

• 3 х 15.
• 4 х 15.
• 5 x 20.
• 6 x 32.
• 7 х 15.
• 10 х 30.

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.

• Миниатюрные вставки.
• Обычные.

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:

• 000 – до 100 А.
• 00 – до 160 А.
• 0 – до 250 А.
• 1 – до 355 А.
• 2 – до 500 А.
• 3 – до 800 А.
• 4 – до 1250 А.

Кварцевые

Этот вид вставок является токоограничивающим, не образующим газов, служит для внутреннего монтажа. Предохранители кварцевого вида выполняются на напряжение до 36 киловольт.

1 – Патрон (керамика, стекло).
2 – Вставка плавкая.
3 – Колпачки (металл).
4 — Наполнитель.
5 – Указатель.

Патрон закрывается с помощью колпачков, обеспечивая герметичность. К наполнителю предъявляются определенные требования:

• Прочность (электрическая).
• Высокая теплопроводность.
• Не должен образовывать газы.
• Не должен впитывать влагу.
• Частицы наполнителя должны быть строго необходимого размера, во избежание их спекания, либо невозможности погасить дугу.

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:

1. Патрон, сделан из фибры с латунными кольцами по краям. На конце накручены колпачки из латуни.
2. Колпачки.
3. Плавкий элемент в виде цинковой пластины.
4. Контакты.

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.

Плавкие предохранители

Современные электрические сети и устройства очень сложные и требуют надежной защиты от возможных перегрузок и коротких замыканий. Основную защитную роль в таких случаях играют различные предохранительные устройства. Среди всего разнообразия этих устройств, наиболее распространенными считаются плавкие предохранители, обладающие высокой степенью надежности, простотой в эксплуатации и сравнительно невысокой стоимостью.

Несмотря на широкое использование автоматических защитных устройств, плавкие вставки сохраняют свою актуальность при защите электронной аппаратуры, автомобильных электросетей, промышленных электроустановок и систем энергоснабжения. Они до сих пор применяются в распределительных щитах многих жилых домов, благодаря надежной работе, небольшим размерам, стабильным характеристикам и возможности быстрой замены.

Для чего применяются плавкие предохранители

В случае соединения двух проводов, подключенных к источнику тока, наступит всем известный эффект короткого замыкания. Причиной может стать испорченная изоляция, неправильное подключение потребителей и т.д. При сравнительно небольшом сопротивлении проводов, в этот момент по ним будет протекать очень высокий ток. В результате перегрева проводов загорается изоляция, что может привести к пожару.

Избежать негативных последствий вполне возможно путем включения в электрическую цепь плавких предохранителей, известных также под наименованием пробок. В случае превышения током допустимой величины, проволочка внутри предохранителя сильно нагревается и быстро расплавляется, разрывая в этом месте электрическую цепь.

Конструкция предохранителей может быть трубчатой или пробочной. Трубочные элементы изготавливаются в закрытом фибровом корпусе, обладающим свойствами газогенерации. В случае повышения температуры внутри трубки создается высокое давление, вызывающее разрыв цепи. Пробочные предохранители имеют стандартную конструкцию, оборудованную проволокой, расплавляющейся под действием высокого электрического тока.

Существует еще одна разновидность так называемых самовосстанавливающихся предохранителей, изготовленных из полимерных материалов, изменяющих свою структуру при разных температурах. Существенный нагрев приводит к резкому изменению сопротивления в сторону увеличения, в результате чего цепь разрывается. Дальнейшее остывание вызывает уменьшение сопротивления, поэтому цепь вновь замыкается. В основном такие предохранители используются в сложных цифровых устройствах. В обычных силовых сетях они не применяются из-за высокой стоимости.

Иногда некоторые умельцы пытаются заменить сгоревший предохранитель, используя вместо него так называемые жучки, представляющие собой кусок толстого провода или тонких проволочек, скрученных в общий пучок. Такие самодельные устройства категорически запрещается использовать, поскольку ток при коротком замыкании будет недопустимо высоким. Сильный нагрев проводки вызовет ее повреждение, возгорание и пожар.

Устройство плавкого предохранителя

В состав входит корпус или патрон, обладающий электроизоляционными свойствами, и сама плавкая вставка. Ее концы соединяются с клеммами, которые последовательно включают предохранитель в электрическую цепь, совместно с защищаемым устройством или электрической линией. Материал плавкой вставки выбирается с таким расчетом, чтобы он мог расплавиться раньше, чем температурный показатель проводов выйдет на опасный уровень, либо потребитель в результате перегрузки выйдет из строя.

Исходя из конструктивных особенностей, плавкие предохранители могут быть патронными, пластинчатыми, пробочными и трубочными. Расчетная сила тока, которую способна выдержать плавкая вставка, указывается на корпусе устройства.

Довольно простая конструкция у низковольтных предохранителей. Под воздействием высокого тока плавкая вставка или токопроводящий элемент подвергается сильному нагреву, после чего при достижении определенной температуры плавится в дугогасящей среде и испаряется, разрывая защищаемую цепь. Именно так работает плавкий предохранитель в электрической цепи.

Для того чтобы горячие газы и жидкий металл не попадали в окружающую среду применяется керамический изолятор, он же корпус устройства, устойчивый к воздействию высоких температур и значительного внутреннего давления. Защитные крышки, расположенные по краям предохранителя, оборудованы специальными планками под унифицированные рукоятки, захватывающие плавкие вставки при замене негодных элементов. С помощью защитных крышек и керамического корпуса создается взрывонепроницаемая оболочка, ограничивающая коммутационную электрическую дугу.

Песок, заполняющий внутреннее пространство, ограничивает силу тока. Материал выбирается с определенными размерами кристаллов, после чего он уплотняется надлежащим образом. Как правило предохранители заполняются кварцевым кристаллическим песком, имеющим высокую химическую и минералогическую чистоту. Соединение плавкой вставки с основанием-держателем осуществляется механическим способом, при помощи контактных ножей. Для их изготовления используется медь или медные сплавы, покрытые оловом или серебром.

Характеристики плавких предохранителей

Основная характеристика заключается в прямой зависимости времени плавления от силы тока. Поэтому, то время, за которое плавкая вставка предохранителя перегорает, соответствует определенному току. Данный параметр больше известен, как времятоковая характеристика.

Кроме временного показателя существуют и другие характеристики, с помощью которых производится определение типов плавких предохранителей. Среди них, в первую очередь, следует отметить номинальный ток. Это наиболее допустимый ток нагрузки по условиям нагрева корпуса предохранителя в течение продолжительного времени. Выбирая устройство по этому показателю, должна учитываться нагрузка электрической цепи, а также условия работы предохранителя.

В некоторых случаях, номинальный ток может быть выше, чем ток в самой электрической цепи. Например, в пусковых устройствах электродвигателей, чтобы избежать перегорания предохранителя во время пуска. Следует учитывать, номинальный ток предохранителя должен соответствовать номинальному току заменяемого элемента.

В свою очередь, номинальный ток заменяемого элемента представляет собой максимально допустимый ток нагрузки в течение длительного времени, когда этот элемент установлен в держателе или в контактах. Кроме того, существуют номинальные токи основания и патрона предохранителя, которые нужно учитывать при выборе защитного устройства. Кроме того, используется такой показатель, как номинальное напряжение. Данный параметр представляет собой межполюсное напряжение, совпадающее с номинальным междуфазным напряжением защищаемых электрических сетей.

Для того, чтобы плавкие предохранители обеспечивали надежную защиту, значение данной величины должно быть больше или равно напряжению защищаемого объекта. Например, предохранитель с номинальным напряжением 400 вольт может использоваться для защиты цепей на 220 вольт, но ни в коем случае, не наоборот. Таким образом, эта величина характеризует возможность предохранителя своевременно разрывать электрическую цепь и гасить дугу.

Поэтому, при выборе предохранителя в качестве защитного средства, необходимо в обязательном порядке учитывать параметры, которые позволяют обеспечить надежную защиту объекта.

Виды плавких предохранителей

Для всех устройств этого типа существуют общая классификация в соответствии с их основными свойствами.

Плавкие вставки могут закрываться по-разному, в связи с этим отличаются и внешние эффекты, возникающие при отключении тока. Такие предохранители разделяются на следующие виды:

• Открытая плавкая вставка, в которой отсутствуют устройства для ограничения объема дуги, выброса расплавленных металлических частиц и пламени.
• Полузакрытый патрон с оболочкой, открытой с одной или двух сторон. Он создает определенную опасность для людей, находящихся поблизости.
• Закрытый патрон. Является наиболее надежным, поскольку у него отсутствуют все вышеперечисленные недостатки. Практически все современные предохранители выпускаются именно с закрытым патроном.

Гашение дуги может выполняться разными способами. В зависимости от этого предохранители бывают с наполнителем или без наполнителя. В первом случае применяются порошкообразные, волокнистые или зернистые компоненты, а во втором – за счет движения газов или высокого давления в патроне. Конструкции самих патронов разделяются на разборные и неразборные. Первый вариант предполагает замену расплавленной вставки, а во втором случае придется менять весь элемент. В некоторых случая неразборные патроны могут быть перезаряжены в специальных мастерских.

Предохранители могут быть заменены или не заменены будучи под напряжением. В первом случае замена может быть произведена прямо руками, не касаясь частей, находящихся под напряжением. Во втором случае устройство в обязательном порядке отключается от напряжения.

Маркировка плавких предохранителей

Каждый плавкий предохранитель на схеме обозначается определенной символикой. Стандартная маркировка состоит из двух буквенных символов. Первые буквы определяют защитный интервал: a – частичный (защита лишь от коротких замыканий) и g – полный (обеспечивается защита от коротких замыканий и перегрузок).

Вторая буква означает типы защищаемых устройств:

• G – защищает любое оборудование.
• F – защищаются только цепи с малым током.
• Tr – защита трансформаторов.
• М – электродвигатели и отключающие устройства.

Более подробную информацию о маркировке предохранителей можно получить в справочниках, предназначенных для специалистов-электротехников.

{SOURCE}