Плавкие предохранители

Принцип работы

В качестве защитного элемента в плавком предохранителе применяется, т. н. плавкая вставка, которая находится внутри патрона, заполненного дугогасящей средой, интенсивно поглощающей тепло (кварцевым песком), либо без заполнения, иногда в предохранителях используется автогазовый принцип, при термическом действие дуги приводит к выделению дугогасящих газов из конструкционных элементов патрона (например, при действии дуги фибровый корпус предохранителя выделяет газы). Плавкую вставку выполняют у мощных предохранителей в пластины с вырезами, уменьшающими площадь сечения вставки, при этом в номинальном режиме избыточная теплота из зауженных мест благодаря теплопроводности успевает распространиться на широкие части и вся вставка имеют практически одинаковую температуру. При перегрузках теплота не успевает полностью перераспределиться по всему объёму вставки и происходит её плавление в самом горячем месте. При коротком замыкании процесс идёт настолько интенсивно, что перераспределения теплоты практически не происходит и вставка перегорает в нескольких суженных местах.

Для более быстрого срабатывания предохранителя (в быстродействующих предохранителях) используют специальные конструкции (придают плавкой вставке специальную форму), в которых отключение цепи в предохранителе при больших токах происходит не посредством плавления вставки, а её разрывом электродинамическими силами (иногда для ускорения срабатывания плавкая вставка дополнительно нагружается усилием натянутой пружины). Для ускорения плавления вставки также применяют явление металлургического эффекта, данное решение применяют обычно в предохранителях со вставками из ряда параллельных проволок.

В некоторых конструкциях предохранителей используются вставки с переменным сечением проволок: разное время перегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при срабатывании предохранителя.

Важной характеристикой всякой защиты по току, в т. ч

и предохранителя является время-токовая характеристика, описываемая обычно в виде графика, по оси абсцисс откладывается ток, чаще всего в относительных единицах (за единицу принимается номинальный ток плавкой вставки), а по ординате — время срабатывания. При этом надо иметь в виду, что характеристика каждого экземпляра предохранителя (даже из одной партии) имеет свою время-токовую характеристику, что указывается в каталоге на каждый тип предохранителя как «зона разброса характеристик», которая гарантируется производителем.

При этом надо иметь в виду разницу между номинальным током предохранителя и номинальным током плавкой вставки:

• номинальный ток предохранителя — это ток, на который рассчитан патрон предохранителя
• номинальный ток плавкой вставки — это ток, на который рассчитана плавкая вставка.

В данный размер патрон предохранителя может быть установлено несколько вставок на разные номинальные токи, при этом самая наибольшая в номинальном ряду равна обычно номинальному току патрона.

Некоторые типы предохранителей имеют индикатор срабатывания в виде подпружиненного штифта, при перегорании плавкой вставки указательный штифт выбрасывается пружиной из корпуса предохранителя, показывая срабатывание предохранителя. Иногда данный штифт нажимает на специальный сигнальный контакт, подавая сигнал о перегорании предохранителя по цепям телемеханики.

Что такое плавкие предохранители

Для электросети есть несколько защитных устройств, реагирующих на опасные факторы размыканием цепи, ими можно создавать множество ступеней. Традиционно в щитках и на линиях потребителей устанавливается автоматика отключения — АВ, УЗО+АВ, АВДТ, иногда такие устройства смонтированы сразу на шнурах питания (кабельные УЗО, характерно для водонагревателей). Но также есть элементы проще и дешевле — плавкие предохранители, вставки.

Устройство, внешний вид

Плавкий предохранитель — это стеклянная/керамическая/фибровая колбочка (вставка) на концах с металлическими колпачками, коробочка, флажок с проволочиной на платах электроприборов, в ВРУ, пробках. Вставляется в посадочное место (держатель) с металлическими зажимами или наподобие розетки, припаивается. Фактически это проводок, соединяющий цепь, но со специальными параметрами.

Всем известно, что если сечение жил проводки не рассчитанное на мощность включенных электроприборов, то она перегревается и может сгореть, этот же принцип в основе ПП.

Внутри вставки находится проводник (проводок, проволочина, пластина) из металлов и их сплавов (медь, цинк, сталь) обязательно соединенная с цепью через контакты на двух ее концах. В мелких девайсах элемент не превышает размером детали микросхемы. Есть и большие устройства — коробочки со сторонами в несколько см, с толстыми плавкими пластинами внутри рассчитанные на тысячи ампер (ППН-37,41).

Форма может быть и с розеточным подключением наподобие вилки, но принцип тот же. А также есть типоразмеры без посадочного места, то есть цельные, у которых вставка не заменяемая, такой ПП меняется полностью вместе с ней.

Материалы корпуса — композит, керамика, стекло, фибра. Внутри может быть наполнение (кварцевая крошка для гашения электродуги), что характерно для мощных разновидностей ПП.

Разновидности устройств токовой защиты

Однако суть электрического предохранителя осталась, несмотря на иной внешний вид. Внутри корпуса установлена плавкая вставка. При увеличении тока вставка нагревается. А при дальнейшем увеличении тока она расплавляется и происходит физический разрыв электрической цепи с полным прекращением тока в ней. При больших напряжениях и токах любой разрыв цепи сопровождается электрической дугой. Чтобы погасить электрическую дугу предохранитель наполняют специальным материалом гасящим её.

В своё время в каждом распределительном устройстве устанавливался счётчик электроэнергии с так называемыми пробками. Внутри пробки располагался плавкий предохранитель, а сама конструкция пробки обеспечивала удобное обращение с ней и надёжность контактов при этом. Но рано или поздно пробка «вылетала», а запасных предохранителей не было. И тогда умельцы ставили «жучок» — самодельную «плавкую» вставку из тонкой медной жилы.

Такая замена ставит безопасность электрооборудования под угрозу порчи. Заводская плавкая вставка изготовлена из специального сплава и гарантированно разрушается при превышении величины тока указанной на корпусе. «Жучок» может перегореть, но при этом ток достигнет разрушительной величины. А неисправность в оборудовании повлечёт за собой его порчу из-за того, что ток не был своевременно отключён перегоранием правильной плавкой вставки.

Со временем появились электронные устройства на полупроводниковых приборах. Они быстро выходят из строя при превышении допустимых величин тока. Возникла необходимость в максимально быстром разрыве электрической цепи. Процесс разрушения плавкой вставки оказался слишком медленным, и ток успевал достичь величины разрушительной для оборудования. Появились автоматические электромеханические предохраняющие устройства.

В этих устройствах есть контакты, которые нормально замкнуты. То есть до тех пор, пока величина тока не достигнет заданного значения. После этого контакты размыкаются и остаются в таком положении, пока вручную не восстанавливается исходное состояние устройства. Автоматические предохранители изготавливаются по двум базовым конструкциям относительно способа срабатывания:

• тепловому;
• электромагнитному.

Конструкция автоматического предохранителя с тепловым отключением применяется для относительно небольших токов. Такие токи потребляются, в том числе бытовым электрооборудованием. Для удобной замены пробки с плавкой вставкой теперь есть бытовой автоматический предохранитель. Внутри него находится пара замкнутых контактов.

Контакты соединены с натянутой пружиной, которая удерживается специальным держателем. Держатель может изменять своё положение и освобождать пружину, которая при этом разомкнёт контакты. Держатель перемещается биметаллической пластиной. Она нагревается током нагрузки, который течёт через неё. На корпусе размещены две кнопки: одна дублирует действие пластины, другая восстанавливает исходное состояние предохранителя.

Справа показан электический предохранитель европейского производства, изготовленный по соответствующим стандартам. Устроен он так же, но не вкручивается вместо пробок. Кнопки в нём заменены перекидным рычагом, который замыкает и размыкает контакты. Он удобен для отдельного отключения нагрузок в разных комнатах квартиры, на дачах и в частных домах. Рядом устанавливается несколько таких предохранителей, что компактно и удобно.

Электромагнитные предохранители срабатывают от намагничивания, которое создаёт ток в катушке индуктивности. Такая конструкция применяется для защиты промышленного электрооборудования, потребляющего большие токи.

Лучше всего те предохранители, которые быстрее всего разрывают электрическую цепь.

Но вместе с тем существует и фактор надёжности. Ведь в электромеханическом устройстве может лопнуть пружина или что-то заклинит от перепада температуры или еще, по какой-либо причине, или приварятся контакты. А вот плавкая вставка сгорит всегда. Поэтому лучше всего применять пару предохранителей – плавкий и автоматический электромеханический. Пока исправно работает автоматический вариант, он будет отключать ток быстрее, чем перегорит плавкая вставка. Но если автомат по какой-либо причине не отключит нагрузку, это сделает плавкий предохранитель.

Принцип работы

Если вам лично не приходилось заниматься ремонтом какой-либо техники, или же ее простым разбором, то только фото плавкого предохранителя помогут вам понять, что из себя представляет эта важная деталь любого серьезного прибора.

Как можно уже было понять по названию детали, ее основное предназначение заключается в предотвращении ущерба, который может нанести микросхемам и цепи в целом перенапряжение в электрической сети.

Все потому, что намного проще поменять одну маленькую деталь, которая идет в начале всей цепи на микросхеме, чем заниматься починкой или даже заменой более важных деталей.

Название такой предохранитель получил из-за материала, который используется внутри него, а именно из-за его низкой температуры плавления.

Результатом такого выбора проводника стало то, что во время возникновения опасности для внутренностей прибора из-за перенапряжения, скачок сначала поступает в предохранитель, где излишнее напряжение поднимает температуру проводника, в следствии чего он плавиться, а, следовательно, цепь размыкается, в то время, как все важные детали остаются в целости и сохранности.

Как работает плавкий предохранитель

Срабатывание происходит посредством сгорания плавкой вставки: когда величина тока превышает допустимое значение, создается температурное влияние — элемент перегорает, тем самым контакты расцепляются, оборудование обесточивается. Аналогично и при КЗ. Процесс занимает доли секунды. Есть разные размыкающие проводники (более или менее чувствительные) под конкретные температуры, нагрузки.

Отличие ПП от автоматов и УЗО: после активации требуется замена вставки или целого элемента. Достоинство в дешевизне и простоте замены: потребуется просто защелкнуть новую вставку, поместить в розетку новый экземпляр, реже — припаять.

Защита ПП основывается на способности металлов перегреваться, когда через них проходит превышающий их пропускную способность ток. При соответствии параметров происходит равномерный нагрев металла — тепло успевает рассеиваться. Когда же значение превышает допустимый уровень — тонкая проволочина, пластина внутри колбы расплавляется и разрушается. Причем это происходит почти моментально.

Для чего применяются плавкие вставки предохранителей:

• защита от перегрузок (всплески, скачки);
• от КЗ.

Кроме защиты, сработка ПП укажет на проблемы, поломки, на дефекты оборудования, например, спровоцировавшего КЗ.

Предохранители в режиме постоянного тока

Использование предохранителей в цепях постоянного тока имеет свои особенности, т.к. из-за большой скорости процессов и отсутствия нулевых переходов тока цепи на работу предохранителя значительно влияют реактивные параметры цепи. Индуктивность в цепи постоянного напряжения ограничивает скорость нарастания тока. Время, затрачиваемое на достижение током 63% от конечного значения, называется постоянной времени, обозначаемой соотношением L/R. Скорость же нарастания тока влияет на начальную энергию плавления элемента предохранителя. Это определяет как время-токовую характеристику плавления, так и максимальный пропускаемый ток (Рис.1).

Для длительного периода времени (более 1 секунды) тепловой эффект переменного тока такой же, как и постоянного, характеристики сливаются (см. рис. 2).

Рис.1. Время-токовая характеристика цепи постоянного тока

Рис.2. Зависимость времени плавления от L/R

Большинство схем имеют постоянную времени между 10 и 20 миллисекундами, исходя из чего спецификации МЭК (международной электротехнической комиссии) требуют тестирования в этих пределах. Константы времени больше чем 20 мс встречаются не часто, за исключением тяговых решений электротранспорта, где большая длина контактной сети даёт чрезвычайно высокое соотношение индуктивности к сопротивлению. При коротких замыканиях, в условиях срабатывания предохранителя, значение постоянной времени цепи может отличаться от постоянной времени в «нормальных» рабочих условиях.

Во многих выпрямительных схемах, даже в условиях срабатывания, плавкая вставка будет под воздействием переменного напряжения (когда напряжение стремится к нулю или близко к нулю с регулярностью, соответствующей частоте питания).

В этих условиях, гашение дуги внутри плавкой вставки в случае срабатывания упрощается снижением напряжения до нуля. Когда предохранитель установлен в цепи постоянного тока, процесс гашения дуги при срабатывании не будет упрощаться периодическим снижением напряжения до 0, как в ситуации с переменным напряжением. При постоянном токе погасить дугу гораздо сложнее, вот почему и предохранитель в этом случае, как правило, должен быть гораздо больше по размерам (Рис.3).

Рис.3. Предохранители одного номинала для переменного (слева) и постоянного (справа) тока

Напряжение, при котором плавкая вставка может безопасно работать, таким образом, зависит от постоянной времени цепи. Следует отметить, что при малых значениях постоянной времени номинал тока предохранителя при постоянном напряжении иногда может оказаться больше, чем при переменном (согласно стандартам IEC или UL). Однако для большинства случаев номинал предохранителей при постоянном токе не превышает 75% от номинала при переменном токе, и по мере увеличения постоянной времени он снижается.

Напряжение дуги, возникшей внутри плавкой вставки во время срабатывания, будет меняться по отношению к напряжению системы. Изменение напряжения дуги в результате самоиндукции относительно приложенного напряжения будет также различным для цепей переменного и постоянного тока. Если это специально не предусмотрено конструкцией, предохранители не рекомендуется применять для защиты от незначительных перегрузок в цепях постоянного тока. Производительность в этой области может быть ограничивающим фактором при выборе предохранителя.

Компания Bussmann производит большой диапазон предохранителей, специально разработанных для работы при постоянном токе в самых разнообразных приложениях: в тяговых транспортных решениях, системах бесперебойного питания, выпрямителях, частотных преобразователях, солнечной энергетике и др. Предохранители для цепей постоянного тока выпускаются на типовые напряжения 750, 1000, 1200, 1500, 2000 и 4000 В в диапазоне токов до 1600А, различного конструктивного исполнения.

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.

Требуются ли серьёзные монтажные работы для замены выключателей с предохранителями?

А.К.: Раньше при замене защитных аппаратов требовалось полностью отключать питание, с системы вводных шин, обеспечить заземление электроустановки и многие другие меры, предотвращающие возможные электротравмы. Даже при подобном комплексе мероприятий электротравмы на предприятии были не редкостью, возможно по вине невнимательности персонала. Кроме того, все эти операции занимали немало времени. Сегодня есть решения, делающие замену защитных аппаратов быстрой и безопасной. Если есть вероятность, что в процессе эксплуатации потребуется оперативное вмешательство и замена аппарата, можно использовать втычную серию выключателей нагрузки с предохранителями SlimLine XR. Аппараты этой серии монтируются в специальном стандартизованном шкафу на систему вертикальных шин при помощи двух винтов на передней панели. Это позволяет значительно ускорить монтаж, обновление или замену аппаратов, причём при необходимости можно производить «горячую» замену защитных устройств, то есть без снятия напряжения с системы шин.

За счёт простоты своей конструкции и надёжности выключатели с предохранителями на сегодняшний день, как считают эксперты, являются наиболее предпочтительной защитой для всех уровней распределения на предприятии, как на вводе, так и на отходящих линиях. Не зря эти устройства нашли широкое применение в таких сферах, как судоходство, нефтяная, химическая и газовая промышленность.

1 http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%98%D0%9F

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:

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.

Какие аппараты лучше использовать для защиты вводных сетей предприятия?

Александр Нестеренко (А.Н.): В большинстве случаев, выбор между автоматическим выключателем и выключателем с предохранителями сводится к оценке баланса плюсов и минусов каждого из вариантов для конкретного объекта. Например, с точки зрения защиты, аппараты с предохранителями более эффективны, поскольку их время срабатывания меньше, чем у автоматического выключателя. Но эти устройства, на мой взгляд, менее удобны для эксплуатации и обслуживания. Чтобы заменить предохранитель, требуется проделать определённые операции, с которыми не подготовленный персонал может не справиться. Ещё один недостаток заключается в том, что в отличие от автоматических выключателей у предохранителей нельзя отрегулировать время срабатывания. Это неудобно для тех клиентов, у которых электрические схемы постоянно изменяются, например, в связи с модернизацией оборудования, расширением производственных площадей – то есть «на перспективу» лучше использовать автоматы

Кроме того, немаловажное преимущество автоматических выключателей заключается в том, что эти устройства можно подключить к системе дистанционного управления

Алексей Кокорин (А.К.): На мой взгляд, с точки зрения расширения энергосистемы, выгоднее использовать оборудование с предохранителями: оно не зависит от уровня возможного короткого замыкания. Рост номинала можно предусмотреть заранее, заложив достаточный корпус аппарата, а саму величину тока регулировать плавкими вставками. И проблема дистанционного управления также может быть решена при использовании аппаратов с соответствующими функциями.

Виталий Побокин (В.П.): Я думаю, автоматы требуют профилактического обслуживания персоналом с большей квалификацией. Конечно, взвести его после срабатывания может любой сотрудник предприятия. Но перед включением автомата после короткого замыкания его необходимо проверить на срабатывание при заявленном токе. Ведь после каждого отключения контакты автоматического выключателя немного обгорают: это происходит из-за действия электрической дуги, возникающей при их размыкании. В результате во время очередной аварии при большом токе замыкания защитный механизм может не сработать. Предприятие будет вынуждено не только устранять последствия возгорания в электрощите, но и ремонтировать повреждённое оборудование.

В то же время замена предохранителя не требует дополнительных проверок и настроек. Поэтому, если на предприятии есть возможность обеспечить хранение и поддержание ЗИП1, я бы ориентировался именно на с предохранителями.

А.К.: Где-то с 90-х годов прошлого века монтажники повсеместно ставят автоматические выключатели. Это связано с бумом гражданского строительства, который наблюдался в то время. В офисных, жилых и бытовых зданиях чаще всего из-за компактности, относительной дешевизны и простоты эксплуатации используются автоматические выключатели. По инерции такая тенденция перенеслась и в промышленность, хотя многие проблемы, на мой взгляд, гораздо эффективнее можно было бы решить при помощи выключателей с предохранителями.

Предохранители, как исполнительные элементы защиты от сверхтоков, намного надёжнее автоматических выключателей, поскольку в них нет движущихся частей и нет вероятности того, что при токе короткого замыкания плавкая вставка по каким-то причинам не разрушится. Сами предохранители снабжены герметичным корпусом, что предотвращает образование пламени, искры или открытой электрической дуги. Кроме того, формально устройства с предохранителями заменяют собой два устройства: вводной рубильник и автоматический выключатель.

Не стоит забывать и о совершенно ином уровне безопасности персонала. Предохранители сами по себе обеспечивают более высокий уровень защиты персонала, т.к. даже при включении аппарата на КЗ, находясь в непосредственной близости от аппарата, персонал не получит ожоги и другие распространённые электротравмы. В серии устройств OS от АББ эта идея получила дальнейшее развитие. Благодаря конструктивным особенностям получить доступ к предохранителю можно только при отключённом рубильнике, при этом сам предохранитель оказывается без напряжения благодаря двум точкам разрыва цепи в каждом полюсе аппарата, что исключает возможность контакта обслуживающего персонала с токопроводящими частями. В качестве дополнительного уровня защиты держатель для предохранителей можно опломбировать.