Электрический предохранитель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Обозначение плавких предохранителей на принципиальных электрических схемах в разных стандартах оформления конструкторской документации.

Электри́ческий предохрани́тель — компонент электрических и радиоэлектронных устройств, предназначенный для защиты оборудования и приборов от повреждений при их неисправностях или для защиты питающей сети от аварийных электрических токов, возникающих при авариях и отказах, неправильного включения, ошибок монтажа.

Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает цепь тока при превышении им номинального тока, — тока, на который рассчитан предохранитель.

По принципу действия при разрыве тока в защищаемой цепи предохранители разделяются на четыре класса — плавкие, электромеханические, электронные и использующие нелинейные обратимые свойства по изменению сопротивления после воздействия экстратока у некоторых проводящих полупроводниковых материалов (самовосстанавливающиеся предохранители).

В плавких предохранителях при превышении тока свыше номинального происходит разрушение токопроводящего элемента предохранителя (расплавление, испарение), традиционно этот процесс называют «перегоранием» или «сгоранием» предохранителя.

Автоматический выключатель защиты сети снабжён датчиками протекающего тока (электромагнитными и/или тепловыми), при превышении тока сверх номинального, разрывают цепь размыканием контактов, обычно, движение контактов на размыкание производится посредством предварительно взведённой пружины.

В электронных предохранителях защищаемую цепь разрывают бесконтактные ключи.

В самовосстанавливающихся предохранителях, при превышении тока, на несколько порядков увеличивается удельное электрическое сопротивление полупроводникового материала токопроводящего элемента предохранителя, что снижает ток цепи, после снятии тока и их охлаждения восстанавливают своё сопротивление.

Под термином электрический предохранитель или, обычно, предохранитель, подразумевается наиболее часто используемый и дешёвый плавкий предохранитель.

Предохранители повсеместно используются для защиты любого электрооборудования, например, для исключения перегрева проводов бытовой электрической сети в случае коротких замыканий. Отсутствие предохранителей или неграмотное их применение может привести к пожару[1].

Предохранители на принципиальных электрических схемах обозначаются аббревиатурой «FU» (международное обозначение, от англ. to fuse — плавить) или «Пр» (графическое изображение в советских и российских стандартах по ЕСКД совпадает с IEEE/ANSI, второй вариант на рисунке[2]).

Плавкие предохранители[править | править вики-текст]

Физические принципы работы плавкого предохранителя[править | править вики-текст]

В плавких предохранителях в качестве разрушаемого экстратоками токопроводящего элемента применяются чистые металлы (медь, цинк, свинец, железо и др.) и некоторые сплавы — (ковар, сталь, др.).

Все чистые металлы и практически все металлические сплавы имеют положительный коэффициент термического сопротивления, то есть при повышении температуры сопротивление плавкого элемента увеличивается. Именно положительный температурный коэффициент сопротивления обуславливает защитные свойства плавкого предохранителя. При токах, ниже защитного номинального тока, тепло, выделяемое в плавком элементе, стационарно рассеивается в окружающую среду. При этом температура плавкого элемента устанавливается немного выше температуры среды. При токах, свыше номинального тока, в плавком элементе развивается тепловая неустойчивость — повышение температуры ведёт к увеличению активного сопротивления плавкого элемента, что вызывает ещё больший разогрев его, так как мощность на ветви в последовательной электрической цепи есть I2·R. Повышение сопротивления ведёт к увеличению тепловыделения, тепловыделение повышает температуру и увеличивает выделяющуюся мощность, что снова увеличивает температуру. При этом процесс развивается лавинообразно — температура плавкого элемента начинает превышать температуру его плавления и часто, затем, кипения, что вызывает его механическое разрушение и разрыв электрической цепи.

Также важным электрическим параметром плавкого предохранителя, помимо номинального тока, является так называемый параметр защиты, определяемый по время — токовой характеристике.

Экспериментально установлено, что область токов, вызывающих «сгорание» плавкого предохранителя лежит выше линии на графике ток — время срабатывания (сгорания, разрыва цепи), уравнение этой линии в декартовых координатах удовлетворяет условию:

I2·t = k

I — ток, t — время сгорания, k — параметр, в широком диапазоне изменения токов постоянен.

Таким образом, чем больше ток, тем ниже время «сгорания» плавкого предохранителя. Параметр k часто называют «защитным фактором» или «параметром защиты». Приведённое уравнение не выполняется при очень больших токах, так как разлёт и деионизация плазмы в электрической дуге испарившегося защитного плавкого элемента занимает конечное время. Также, при малых токах, ниже номинального защитного тока время «сгорания» бесконечно.

В профессиональных спецификациях на предохранители параметр k обычно явно указывается.

Конструкции плавких предохранителей и их держатели[править | править вики-текст]

Плавкий предохранитель состоит из плавкой вставки и патрона, в который устанавливается плавкая вставка, которая может заменяться при перегорании (у предохранителей на малые токи плавкая вставка не сменная, конструкция является одноразовой и при срабатывании производится замена целиком предохранителя в держателе).

Плавкая вставка внутри патрона помещается в специальную дугогогасящую среду (например кварцевый песок), которая при срабатывании интенсивно охлаждает и деионизирует электрическую дугу, не давая выйти в наружу через корпус. В некоторых типах предохранителей имеется корпус из газогенерирующего материала (например фибры), при термическом действии дуги происходит интенсивное газовыделение с гашением внутри корпуса. В предохранителях на малые токи плавки вставки могут находится в среде инертных газов (для исключения окисления плавкой вставки со временем: находящаяся под током плавкая вставка нагревается и интенсивнее происходит процесс окисления).

Предохранители для защиты полупроводниковых элементов (быстродействующие) имеют дополнительные элементы конструкции для ускорения срабатывания: при этом перерыв электрической цепи внутри предохранителя производится электродинамическими силами и натянутыми пружинами. Ускорение срабатывания предохранителя производится также использованием металлургического эффекта.

Различается номинальный ток плавкой вставки и номинальный ток патрона (для одного патрона выпускаются несколько номиналов вставок одинакового габарита и на разный ток).

Разновидности плавких предохранителей[править | править вики-текст]

Различные бытовые предохранители в керамическом корпусе.

Разрущающийся защитный элемент плавкого предохранителя или некоторую сменную конструкцию с этим элементом обычно называют вставкой. Вставка сменная, заменяется на новую после акта срабатывания.

Для защиты электрических цепей устройствами неоднократной защиты, экономически целесообразно применять автоматические выключатели — восстанавливающие электрическую цепь манипуляцией (автоматические выключатели).

В слаботочных низковольтных цепях применяются самовосстанавливающиеся предохранители.

Одноразовые предохранители[править | править вики-текст]

Используемые на яхте плавкие предохранители (DIN 43560)
Плавкий предохранитель для маломощных приборов

В электрической цепи плавкий предохранитель является слабым участком электрической цепи, сгорающим при превышении силой тока относительно номинального, тем самым разрывая цепь, и, предотвращая последующее развитие аварии[3]. По типам плавкие предохранители классифицируются на следующие типы:

  • слаботочные вставки (для защиты электроприборов с не высоким потреблением — до 6 ампер)
    • 3х15 (первая цифра означает внешний диаметр, вторая - длину вставки)
    • 4х15
    • 5x20
    • 6x32
    • 7х15
    • 10х30
  • вилочные (для защиты электрических цепей автомобилей)
    • миниатюрные
    • обычные вилочные
  • пробковые (встречаются в жилом секторе, до 63 ампер)
    • DIAZED (самые распространённые в СССР)
    • NEOZED
  • ножевые (до 1250 ампер)
    • типоразмер 000 (до 100 ампер)
    • типоразмер 00 (до 160 ампер)
    • типоразмер 0 (до 250 ампер)
    • типоразмер 1 (до 355 ампер)
    • типоразмер 2 (до 500 ампер)
    • типоразмер 3 (до 800 ампер)
    • типоразмер 4а (до 1250 ампер)
  • с заполнением кварцевым песком
  • газогенерирующие

Также, плавкие предохранители различаются по временны́м характеристикам срабатывания при превышении номинального тока[4].

Из-за инертности срабатывания плавких предохранителей, в профессиональной среде электриков они довольно часто используются в качестве селективной защиты в паре с автоматическими выключателями.[5] Селективности между самими плавкими вставками добиваются соотношением 1:1,6 [там же], время-токовая характеристика плавких предохранителей устанавливается зависимостью соответственно I²t[3]; ПУЭ регулирует защиту воздушных проводящих линий таким образом, чтобы предохранитель срабатывал за 15 секунд (ток короткого замыкания в конце линии должен быть равен трём номинальным токам предохранителя). Существенной величиной является время, за которое происходит разрушение проводника при превышении установленного тока. С целью уменьшения этого времени некоторые плавкие предохранители содержат пружину предварительного натяжения. Эта пружина также разводит концы разрушенного проводника, предотвращая возникновение дуги.

Конструкция плавкого предохранителя[править | править вики-текст]

40-амперные предохранители с характеристикой срабатывания «gG», равносильные советской характеристике «ППН»
  • плавкая вставка — элемент содержащий разрывную часть электрической цепи (например проволоку, перегорающую при превышении определённого уровня тока)
  • механизм крепления плавкой вставки к контактам, обеспечивающим включение предохранителя в электрическую цепь и монтаж предохранителя в целом.

Исполнительный механизм плавкого предохранителя[править | править вики-текст]

Плавкие вставки (в керамическом корпусе) предохранителя
Разъединитель предохранителей для монтажа на DIN-рейку

Плавкая вставка предохранителя обычно представляет собой стеклянную или фарфоровую оболочку, на основаниях которой располагаются контакты, а внутри находится тонкий проводник из относительно легкоплавкого металла. Определённой силе тока срабатывания соответствует определённое поперечное сечение проводника. Если сила тока в цепи превысит максимально допустимое значение, то легкоплавкий проводник перегревается и расплавляется, защищая цепь со всеми её элементами от перегрева и возгорания.

Плавкие вставки используемых в домашнем хозяйстве пробковых предохранителей имеют следующую маркировку (DIN 18015-1):

Сила тока Цвет чеки Максимальная мощность (сеть 220 В)
6А Зелёный 1200 Ватт
10А Красный 2000 Ватт
16А Серый 3200 Ватт
20А Синий 4000 Ватт
26А Жёлтый 5200 Ватт

Наибольшее распространение получили кварцевые и газогенерирующие предохранители.

В кварцевых предохранителях (ПК) патрон заполнен кварцевым песком, и дуга гасится путем удлинения, дробления и соприкосновения с твердым диэлектриком.

В газогенерирующих предохранителях для гашения дуги используются твердые газогенерирующие материалы (фибра, винипласт и др.). Газогенерирующие предохранители выполняются с выхлопом и без выхлопа газа из патрона при срабатывании. Предохранители с выхлопом газа из патрона называют также стреляющими (ПСН—10 и ПС—35), поскольку срабатывание их сопровождается звуком, похожим на оружейный выстрел. Предохранители напряжением выше 1 кВ выполняются как для внутренней, так и для наружной установки.

Защита в лампах накаливания[править | править вики-текст]

Лампы накаливания снабжают плавкими предохранителями для предотвращения перегрузки питающей цепи в случае возникновения электрической дуги в момент перегорания лампы. Предохранителем в лампе служит участок одного из вводных проводников, расположенных в цоколе лампы. Этот участок имеет меньшее сечение по сравнению с остальной длиной провода; в лампах с прозрачной колбой это можно заметить, рассматривая лампу на просвет. Для 220-вольтовых бытовых ламп предохранитель обычно рассчитан на ток 7 А.

Автоматический предохранитель[править | править вики-текст]

Устройство автоматического предохранителя
1 — тумблерный вкл/выключатель
2 — механический привод
3 — контактная система
4 — разъёмы (2 шт)
5 — тепловой расцепитель
6 — калибровочный винт
7 — электромагнитный расцепитель
8 — дугогасительная камера

Автоматический предохранитель (правильное название: Автоматический выключатель, также называется «автомат защиты», «защитный автомат» или же просто «автомат») состоит из диэлектрического корпуса, внутри которого располагаются подвижный и неподвижный контакты. Подвижный контакт подпружинен, пружина обеспечивает усилие для быстрого расцепления контактов. Механизм расцепления приводится в действие одним из двух расцепителей: тепловым или электромагнитным.

Конструкция автоматического предохранителя[править | править вики-текст]

  • Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие пружину, отводящую подвижный контакт, разрывая тем самым электрическую цепь. Время срабатывания зависит от тока (время-токовая характеристика) и может изменяться от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать тепловой расцепитель, составляет 1,3 от номинального тока предохранителя до 63 ампер и свыше 63 ампер 1,45 от номинального тока предохранителя. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический предохранитель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Тем не менее, параметры автоматического предохранителя могут изменяться при каждом срабатывании из-за обгорания контактов[5]. Эту особенность следует учитывать в промышленных установках.

  • Магнитный (мгновенный) расцепитель представляет собой соленоид, подвижный сердечник которого приводит в действие пружину, отводящую подвижный контакт. Ток, проходящий через автоматический выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога. Мгновенный расцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 6 и более раз от номинального тока, в зависимости от типа (автоматические выключатели делятся на типы A, B, C, D, E и K в зависимости от характеристики срабатывания расцепителей).

Во время расцепления контактов может возникнуть электрическая дуга, поэтому контакты имеют особую форму и находятся в дугогасительной камере.

Расчёт необходимого предела срабатывания[править | править вики-текст]

Расчёт предохранителя ведётся с учётом тока короткого замыкания в конце линии, допустимого нагрева проводников, допустимого уменьшения напряжения (не более 4-5 %), а также с учётом потребностей самого потребителя. Выделенная в ходе протекания электрического тока через проводники теплота должна рассеиваться в окружающую среду, не повреждая при этом каких-либо частей и/или составляющих проводящих частей электрооборудования.[6]

Расчёт нужд потребителя рассчитывается по формуле: I_{nom}=\frac {P_{max}}{U}, где

Inom — номинальный ток срабатывания предохранителя, А;
Pmax — максимальная мощность нагрузки, Вт (с запасом примерно 20 %);
U — напряжение сети, В.

Предохранитель выбирается из стандартного ряда, с ближайшим номинальным током срабатывания, превышающим полученное значение. Так же должны учитываться пусковые токи нагрузки потребителя при выборе характеристики.

Условия выбора предохранителя в трёхфазных цепях (нагрузки):

  • Для трёхфазного эл. приёмника без пусковых токов (нагреватель и др.)

Iвст. ≥ Iдл.расч. ,

Iвст. =Кп∙Iном/α.
где: Кп =5…8 (обычно 7) — коэффициент пуска ЭД (Iпуска =Кп∙Iном),
α — коэффициент тяжести пуска: 1,6 — тяжёлый, 2 — средний, 2,5 — лёгкий пуск.

При этом должно выполняться неравенство: IК. З. ≥ 3∙Iвст. Где: IК. З. — ток короткого замыкания (в защищаемом участке цепи)

Техника безопасности[править | править вики-текст]

Ножевые предохранители, представляющие потенциальную опасность электротравм при замене.

Каждый тип предохранителей требует свой подход к обслуживанию и замене.

  • Некоторые типы предохранителей (особенно для больших токов) могут представлять опасность для простого потребителя и требуют обслуживания со стороны квалифицированного персонала.
  • Самовольное увеличение номиналов может повлечь за собой повреждение электропроводки высокой температурой вплоть до пожара.

Замена предохранителей[править | править вики-текст]

  • Замена предохранителей бытовым пользователем может производиться только при снятом напряжении и нагрузке. Замена предохранителя под нагрузкой может привести к возникновению электрической дуги и, как следствие, — повреждению глаз, ожогам рук, порче держателя предохранителя. Однако конструкция многих советских потребительских щитов не предусматривает предварительного отключения перед заменой предохранителя; это объясняется тем, что при откручивании пробки в момент отсоединения корпус находится всё ещё в патроне и, следовательно, потребитель не имеет доступа к дуге. Однако, после снятия предохранителя потребитель имеет доступ к находящимся под опасным напряжением токоведущим частям. В странах Европы для устранения этого недостатка используется более безопасный разъединитель предохранителей с номиналами пробковых предохранителей.
  • В электроустановках до 1000 вольт замена предохранителей с открытыми токоведущими частями должна производиться квалифицированным персоналом с использованием средств защиты лица и глаз, специальными клещами, рука меняющего работника должна быть защищена диэлектрической перчаткой. Также применяется комбинированное устройство в виде диэлектрической перчатки со вшитыми клещами для замены предохранителей.
  • Замена высоковольтных предохранителей может производиться только при отключённой и заземлённой установке (с помощью штатных заземляющих ножей или специального переносного заземления — ПЗ).

Использование предохранителя в качестве коммутационного аппарата[править | править вики-текст]

Принципиальная схема защиты от случайного возвращения напряжения

Почти всегда при работах в электроустановке существует необходимость снять напряжение для безопасного проведения тех или иных работ в электроустановке. Часто в щитах производственных электроустановок коммутационные аппараты имеют комплектные заземляющие ножи со штатным приводом, то аппараты в щитах бытовых потребителей ограничиваются более простыми конструкциями, всего лишь разрывающими цепь в случае аварийной ситуации. Зачастую, при проведении электроработ в жилом секторе ограничиваются только отключением предохранителя, причём отключенный на время проведения электроработ предохранитель никак не помечается — при случайном включении кем-то посторонним, производящие в отключённом участке линии электроработы люди окажутся под опасным напряжением. Для этого при проведении работ в бытовых однофазных сетях необходимо отключать обе вводные линии — фазную и нулевую (защитный нулевой проводник, если сеть трёхпроводная, коммутационного аппарата не имеет и подключается к корпусам глухо).

Выбор предохранителей[править | править вики-текст]

Измерительный прибор для измерения тока короткого замыкания

Выбор должен происходить исходя из технических возможностей проводки/защищаемого электрооборудования.

  • При проектировании электроустановки, следует учитывать токи короткого замыкания в проектируемых участках цепей электроустановки.[6] Так же тип предохранителя должен соответствовать среде эксплуатации: к примеру, нежелательно устанавливать ножевые предохранители в групповом щите домашнего хозяйства во избежании сложностей при его обслуживании.
  • При добавлении новой цепи в уже имеющейся установке, измеряют сопротивление петли и делят напряжение на получившееся значение (чаще всего процесс замера сопротивления петли игнорируется); при этом номинал предохранителя в электроустановках не должен превышать допустимого длительного тока для проводов в сегменте электропроводки ниже предохранителя по ходу распределения энергии. Допустимый ток зависит от характеристик провода и определяется в соответствии с пунктом 1.3.10 ПУЭ. Если в защищаемом сегменте есть элементы с ещё меньшим допустимым током, то номинал предохранителя ограничен их номиналом тока. Например, если провода допускают 25 А, а розетки — только 16, то предохранитель следует брать не более 16 А.

При нарушении этих условий чрезмерный ток может повредить розетки и другие элементы электроустановки, а также привести к пожару. Форма патрона для плавких предохранителей может быть такой, что установить в него предохранитель большего номинала невозможно.

  • При необходимости подключения очень мощного электроприбора сто́ит позаботится о предварительном отключении всех не нужных в данный момент электроприборов, это часто предотвращает срабатывание предохранителя.
  • Следует также обратить внимание на приборы, способные выйти из строя при неожиданных включениях/выключениях и при больших колебаниях напряжения в сети: электромоторы (в том числе моторы компрессоров в холодильниках), компьютеры, цветные телевизоры (с катушкой размагничивания на кинескопе) и видеомагнитофоны.
  • Для защиты силовых полупроводниковых вентилей: диодов, тиристоров иногда применяются специальные быстродействующие предохранители с токоограничивающей характеристикой[7].

Жучок[править | править вики-текст]

Иногда при отсутствии в наличии необходимого предохранителя, или с целью сознательного обхода защиты, используют токопроводящую перемычку между контактами — «жучок». Сечение проволоки рассчитывается по специальным таблицам. Однако следует иметь в виду, что такая «защита» гораздо менее надежна, а выгорание предохранителя свидетельствует о наличии более серьёзных проблем в электрической цепи, в частности, о коротком замыкании. Замена штатного предохранителя «жучком» может привести к увеличению максимально проходящего тока через контур и к выходу из строя проводки, более дорогих комплектующих и/или к возгоранию. Последнее часто является причиной пожаров.

Литература[править | править вики-текст]

  • Корякин-Черняк С. Л.,Голубев В. С. Краткий справочник домашнего электрика. Изд. 2-е — СПб.: Наука и Техника, 2006. С. 272. ISBN 5-94387-176-4
  • Л. А. Родштейн «Электрические аппараты», Л. «Энергоиздат», 1981 г.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. "Электрические аппараты защиты для «чайников»: плавкие предохранители
  2. Условные обозначения предохранителей (по ГОСТ 2.727-68)
  3. 1 2 Плавкий предохранитель — элемент силовой электроники
  4. Классификация, маркировка и характеристики плавких предохранителей
  5. 1 2 смотри параграф «селективность»
  6. 1 2 Расчёт тока короткого замыкания
  7. Л. А. Родштейн «Электрические аппараты» Л., «Энергоиздат», 1981 г.

См. также[править | править вики-текст]


Ссылки[править | править вики-текст]