Плавкие предохранители: принцип действия, устройство, виды, назначение

Что такое плавкие предохранители

Для электрической сети существует несколько устройств защиты, которые реагируют на опасные факторы размыканием цепи, они могут совершать множество ступеней.

Традиционно в щитках и на линиях потребителей устанавливают автоматы отключения — АВ, УЗО+АВ, АВДТ, иногда такие устройства монтируют непосредственно на ЛЭП (кабельные УЗО, характерные для водонагревателей). Но есть и более простые и дешевые элементы – предохранители, вставки.

Устройство, внешний вид

Предохранитель представляет собой стеклянный/керамический/волокнистый конус (вкладыш) на концах с металлическими колпачками, коробку, флажок с проводом на платах электроприборов, в ВРУ, пробках.

Вставляется в посадочное место (держатель) с помощью металлических зажимов или в виде гнезда, припаивается. По сути, это провод, который соединяет цепь, но с особыми параметрами.

Всем известно, что если сечение проводов не рассчитано на мощность сопутствующих электроприборов, то они перегреваются и могут сгореть, на этом же принципе основано программное обеспечение.

Внутри вставки находится проводник (проволока, проволока, пластина) из металлов и их сплавов (медь, цинк, сталь), который обязательно подключается к цепи через контакты на двух ее концах. В малых устройствах размер элемента не превышает размер части микросхемы.

Встречаются и большие устройства — коробки со сторонами в несколько см, с толстыми плавкими пластинами внутри, рассчитанные на тысячи ампер (ППН-37,41).

Форма тоже может быть с розеткой типа вилки, но принцип тот же. А есть еще типоразмеры без сиденья, то есть цельные, где вставка не сменная, такой ПП с ней полностью меняется.

Материалы дома — композит, керамика, стекло, стекловолокно. Внутри может быть начинка (кварцевая крошка для гашения электрической дуги), что характерно для мощных разновидностей ПП.

Как работает плавкий предохранитель

Срабатывание происходит через прогорание плавкой вставки: при превышении тока допустимого значения создается температурный эффект — элемент перегорает, тем самым размыкая контакты, и оборудование отключается.

То же самое относится и к КЗ. Процесс занимает доли секунды. Есть разные проводники размыкания (более или менее чувствительные) для конкретных температур, нагрузок.

Отличие ПП от автоматов и УЗО: после срабатывания вставку или весь элемент необходимо заменить. Преимущество — дешевизна и простота замены: нужно только приделать новую вставку, поместить в гнездо новый экземпляр, реже припаивать.

Защита ПП основана на способности металлов перегреваться при прохождении через них тока, превышающего их пропускную способность. Если параметры совпадают, металл прогревается равномерно — тепло успевает рассеяться. Когда значение превышает допустимый уровень — тонкая проволока, пластина плавится внутри колбы и разрушается. И это происходит почти сразу.

Для чего используются плавкие вставки:

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

Помимо защиты, срабатывание ПП будет свидетельствовать о проблемах, поломках, отказах оборудования, например, спровоцировавших короткое замыкание.

Схематическое обозначение

На схемах и чертежах ПП обозначают так:

• прямоугольник с горизонтальной прямой линией, пересекающей его посередине. Концы соединяются в цепочку;
• по зарубежным стандартам допускается использование других графических рисунков:
  • по МЭК — прямоугольник с отмеченными сегментами;
  • по IEEE/ANSI — волна.

Описание вариантов плавких вставок и предохранителей

Типы:

• с наполнением (ПН-2, ППН, НПН). Внутренняя полость, заполненная материалами, гасящими электрическую дугу, возникающую при прогаре. Цепь размыкается только тогда, когда явление исчезает. Огнетушащее вещество — кварцевая пыль;
• без заполнения (ПР-2). Дуга гасится газом, выделяющимся при срабатывании и нагреве стенок вставки. Слаботочная печатная плата может не иметь этой и предыдущей функции.

Типы:

• трубчатые и слаботочные. Первые представляют собой стеклянные, керамические или фибровые цилиндры с зажимами на концах. Остальные такие же, но чаще со стеклянной колбой, для бытовых приборов малой мощности до 6 А.

Вставка защелкивается в горизонтальный продольный держатель с прижимными скобами, металлические концы касаются контактов цилиндра (зажимов), поэтому продукт включен в цепь. Такие разновидности обычно бывают незаполненными, особенно если они волокнистые: этот материал при нагревании выделяет газ для гашения дуги;

• вилочные погрузчики. Типично для автомобильной техники, для устройств с печатными платами на панелях управления. Контакты напоминают штекер, расположенный снизу;
• предохранительные заглушки или пробковые предохранительные соединители. Стандарт на 63 А. Обслуживают разовую эксплуатацию бытовых потребителей. Перегоревшая часть скрыта керамикой с патроном, 1 контакт снаружи, второй подключается к штекеру. ПП перегорает, обесточив квартиру.

Восстановите электропитание, заменив вставку. Такие устройства устанавливались в домах старой постройки, сейчас используются реже, так как есть АВ и УЗО. Оставаться актуальным на электростанциях, в промышленности;

• нож. На 100 — 1250 А применяют при больших значениях, например, при наличии мощных электродвигателей, в ВРУ;
• кварцевые, с кварцевой пылью внутри — на значения до 36 кВ;
• газогенерация (с возможностью демонтажа и без). При сгорании (вспышке) происходит хлопок и интенсивное газовыделение (модели ПСН, ПВТ). Для 35–110 кВ. Номинальный ток до 100 А

Назначение и принцип действия

Основной задачей предохранителей является защита электрической сети и электрооборудования от перегрузок по току, возникающих вследствие коротких замыканий или в результате критических перегрузок. При этом они обеспечивают бесперебойную работу защищаемых цепей в номинальном режиме.

В отличие от автоматического выключателя, часто используемого в электротехнике, плавкая вставка срабатывает только один раз, после чего подлежит замене. Однако такое устройство срабатывает со 100% вероятностью, тогда как автоматика после многократных отключений может дать сбой.

Именно поэтому плавкие вставки используются для защиты дорогостоящего оборудования. Не отказывайтесь от использования этих защитных устройств в силовых цепях.

Устройство и принцип защиты

В конструкции предохранителя выделяют два основных элемента: корпус (держатель) с контактами и предохранитель (рис. 1). Строго говоря, взрывателем можно назвать только совокупность этих элементов. Очень часто часть плавкой вставки (особенно если она сменная) называют предохранителем. В этой статье мы тоже иногда будем придерживаться этой традиции.

Рабочим элементом вставки является проводник из меди или металлического сплава. Благодаря этому плавкому элементу в критических ситуациях происходит отказ цепи.

Плавким элементом может быть одна или несколько медных проволок, пластина или фасонная деталь. Эти проводники помещаются в термостойкий корпус: стеклянный, керамический (рис. 2) или пластиковый.

В зависимости от назначения пространство вокруг плавкого элемента может быть заполнено кварцевым песком или окружено летучим веществом, предназначенным для гашения электрической дуги.

При пропускании через вводной провод номинальных токов он незначительно нагревается, не достигая температуры плавления. Но в режиме короткого замыкания значение тока резко возрастает, что приводит к оплавлению вставок. Это приводит к обрыву цепи.

Предохранитель также нагревается при перегрузке, то есть в результате превышения номинального напряжения в защищаемом участке цепи. Когда рабочее напряжение достигает значения, называемого током пробоя, температура плавкого элемента повышается до точки плавления и цепь разрывается. После восстановления параметров цепи плавкая вставка подлежит замене.

Плавильные вставки имеют определенную инерцию срабатывания. При коротком замыкании задержка незаметна, так как в этом случае плавкий элемент молниеносно нагревается.

Иначе обстоит дело с пробками. Для достижения точки плавления требуется больше времени. Поэтому для увеличения быстродействия элементам вкладыша придают особую форму и нагружают упругими силами (один конец пластины соединяется с растянутой пружиной).

В некоторых моделях под действием пружины выходит палочка, называемая курковым индикатором (рис. 3). Он действует как триггерный индикатор и указывает на необходимость изменения ставки.

Цифры на рисунке означают:

• I — патрон;
• 2 — плавкая пластина;
• 3 — оловянные шарики;
• 4 — плавкая вставка;
• 5 — кварцевый песок;
• 6 — пружина;
• 7 — текстолитовый диск;
• 8 — спусковой механизм индикатора работы;
• 9 — крышка;
• 10 — край шляпки;
• 11 — индикатор работы;
• 12 — асбестоцементная прокладка;
• 13 — цементная отливка.

В некоторых случаях для увеличения быстродействия применяют вставки с параллельными проводами разного диаметра. Перегорание самой тонкой проволоки увеличивает нагрузку на остальные элементы, ускоряя их плавление.

Для снижения перенапряжения в некоторых конструкциях вставок применяют провода с разным сечением отдельных сечений. При срабатывании такого предохранителя первой сгорает часть вкладыша с наименьшим сечением. Если пары расплавленного металла спровоцируют возникновение электрической дуги в месте разрыва, выгорит участок с большим поперечным сечением.

Конструктивные особенности предохранителей можно узнать по их маркировке. К сожалению, свойства течения времени применимы не ко всем типам продуктов. А вот модели, маркированные буквенно-цифровыми кодами, легко классифицировать по назначению.

Маркировка

При выборе предохранителей важно знать зону защиты. Их всего 2: частичная и полная. При частичной защите предохранитель срабатывает только от токов короткого замыкания. Полная защита также включает отключение при перегрузке.

В кодовой маркировке зоны защиты обозначаются буквами «а» (частичная) и «г» (полная). Эти буквы стоят перед цифрами, обозначающими номинальный ток.

Во-вторых, применяются английские заглавные буквы, обозначающие:

• Г — универсальный предохранитель. Применяется для защиты оборудования: трансформаторов, кабелей, электродвигателей;
• L — для кабелей и КРУ;
• Б — защита горно-шахтного оборудования;
• F — устройство для маломощных цепей;
• М — устройство защиты цепей электродвигателей и коммутационных аппаратов;
• Р — устройства для защиты полупроводниковых цепей;
• S — мгновенное сгорание при коротком замыкании и среднее время срабатывания при перегрузке;
• Тр — трансформаторные предохранители.

Иногда на кольях отмечают только номинальные значения тока. Эти предохранители используются только для защиты от короткого замыкания.

Миниатюрные плавкие вставки маркируются в соответствии с требованиями ГОСТ Р МЭК 60127-1-2005. В соответствии с этим стандартом указываются номинальный ток и номинальное напряжение.

Перед указателем текущего знака наносятся буквенные символы:

• FF — сверхбыстродействующие предохранители;
• F — быстродействующие плавкие вставки;
• М — полумедленный;
• Т — медленный;
• ТТ — супер медленный.

Допускается цветовая маркировка. Пример такой маркировки показан на рис. 4.

Читайте также: Почему перегорают светодиодные лампы: причины и методы их устранения

Виды и устройство

В зависимости от решаемых задач классификация предохранителей может быть следующей (рисунок 5):

• защита от ножей;
• слаботочные плавкие вставки;
• вилочные предохранители;
• кварц;
• тип пробки
• генерация газа.

 

Существуют также самовосстанавливающиеся предохранители, инерционные и горизонтальные (рис. 6). Инерционные изделия предназначены для защиты электродвигателей, создающих большие нагрузки при пуске. Плавкие элементы нагреваются, но не сгорают. После запуска двигателя инерционная защита переходит в дежурный режим.

Горизонтальные колья используются для защиты линий электропередач. В аварийных ситуациях предохранитель размыкает цепь.

Под воздействием высокой температуры вставка выдвигается, в результате чего на спусковой механизм оказывается давление, выбрасывающее предохранитель из посадочного места. Это обеспечивает надежное отключение аварийного участка.

Блок самовосстанавливающихся предохранителей отличается от других типов электроприборов. Рабочий элемент изделия – полимер с положительным коэффициентом расширения. Полимер содержит углеродсодержащие включения, проводящие электричество.

При нагревании углеродные связи разрываются, что приводит к увеличению электрического сопротивления. При достижении температуры плавления полимера сопротивление стремится к бесконечности, то есть цепь размыкается. При охлаждении электропроводность полимера восстанавливается. Предохранитель сбрасывается сам.

Технические характеристики

Плавкие вставки идентифицируются по двум характеристикам: номинальному напряжению и номинальному току. В промышленном оборудовании эти цифры могут достигать десятков киловольт и тысяч ампер.

В бытовых приборах используются плавкие вставки, номинальное напряжение свободных контактов составляет:

• 110, 220 В — для постоянного тока;
• 220; 380 В — для переменного тока.

На контактах распространенных моделей номинальные токи варьируются от 10 до 2500 А, а на концах плавких вставок — от 2 до 2500 А.

Преимущества и недостатки

К преимуществам предохранителей относятся:

• • полная гарантия отключения аварийного участка цепи;
  • стабильность технических характеристик защиты;
  • можно использовать для селективности;
  • скорость;
  • надежный;
  • простота в дизайне.

Основные недостатки:

• в трехфазных сетях возможен перекос фаз;
• вероятность горения длинной дуги;
• влияние окружающей среды (температуры) на свойства плавких вставок;
• сложность настроек выборочной защиты;
• необходимость замены вставки после каждого срабатывания защиты.

Выбор плавкой вставки и плавкого предохранителя

На выбор влияют:

• нагрузка на сеть является основным параметром выбора. Этот определитель влияет и на то, будет ли ПП с наполнением, на материал вставки, параметры (толщина, сплав) проводника;
• размер и способ установки. ПП выбирается под имеющиеся на оборудовании сиденья (вилка, продольная конструкция с клеммами). Установка простой вставкой или пайкой (на микросхемах).

ПП более мощно устанавливается в трансформаторных блоках мощностью для групп МКД, компаний. Слаботочный — рядом со счетчиками, для защиты отдельных квартир. Слаботочный в виде колбочек — в бытовых приборах, на их лотках.

На данный момент они не всегда актуальны в современной технике, но специальный вариант — встроенные керамические предохранители SMD — есть всегда (их минус — сложность замены).

Расчет

Чтобы определить правильный номинал предохранителя, учтите следующее:

Параметр	Описание
Номинал	Значение тока, которое может поддерживаться до отказа. Это написано на корпусе, в документации.
Времятоковая характеристика	Скорость отклика. Расчет по схемам и графикам. Для бытовых типов расчет не обязателен при наличии слаботочных ПП. Для предприятий с электродвигателями и другими мощными силовыми установками всегда делается расчет. В этом случае начальное значение самого мощного объекта является базовым.
Нагрузка	Суммарная (максимальная), суммарная мощность всех подключенных, одновременно работающих потребителей на обслуживаемой линии подстанции. Значение равно всем рабочим токам оборудования. При наличии в цепи электродвигателя учитывается пусковой параметр (ток), деленный на определенный коэффициент: для легкого пуска и короткозамкнутого ротора k=2,5; слишком тяжелый и фаза k=2 — 1,6.

Правила выбора номинала:

• уравнение для расчета: I пп > 1/к (I общ. + I ст.);
• оценка должна превышать значение, полученное в текущих расчетах;
• простая в использовании фиксированная таблица данных, этого будет достаточно, поскольку она показывает точную информацию.

Пример расчета значения РР для квартирной сети: складываем мощность всех потребителей (электроприборов) в Вт (1кВт равен 100Вт) и смотрим в таблице к какому значению (А) номинала предохранителя это соответствует. Рекомендуется добавить запас ок. 20%. Если значение находится между последними цифрами диапазона, выбирается следующая восходящая позиция.

Описанный выше расчет подходит для всех бытовых целей, но для предприятий с оборудованием с большими пусковыми токами, электродвигателями, для ФЭ, обслуживающих целые дома, необходимо будет ознакомиться с диаграммами временных пусковых значений.

Следует сказать, что в щитках современных квартир ПП не используется, это просто не имеет смысла — автоматического защитного отключения (АВ, УЗО, АВДТ) более чем достаточно, а варианты гораздо более продвинутые.

А вот в домовых АСУ они есть всегда. Изделия также чаще встречаются в электрических схемах, в автомобилях, на станциях, в мощном промышленном оборудовании. По умолчанию они присутствуют на панелях управления (сигнализация, устройства с реле и т.д.).

Исчисление диаметра проволоки (пластины вставки, проводника)

Расчет диаметра ПП-проводника и его замена производится редко, но возможно: при отсутствии нового элемента (вставки) на месте сгоревшего старого и когда конструкция изделия позволяет вставку пластина или проволока.

Сечение провода «жучка» подбирается по величине сгоревшей вставки. Для квартир стандартно устанавливается РР на 63 А, подходит медь ∅ 0,9 мм.

Подробный расчет:

1. Они смотрят на номинальную стоимость программного обеспечения (тело, документация).
2. Измерьте ∅ проводов (цифровым штангенциркулем).
3. Результат нарезается кубиками и возводится в квадрат из полученного корня, умноженного на 80.
4. Суть: получаем число, соответствующее номиналу ПО. Результат приблизительный, но максимально приближенный к точному.

Выбранный провод наматывается на контакты (пины) сгоревшей вставки, соединяет их, схема продолжается. «Смычок» помещается в гнездо предохранителя, помещается между зажимами на концах или вставляется как заглушка.

Повторное оплавление ядра означает неисправность защищаемого объекта или сети (текущее значение выше их возможностей). Есть риск: если провод будет толще, он не отреагирует на обрыв. То есть отказ не диагностируется, обслуживаемый объект будет продолжать работать с перегрузкой, что приведет к отказу, это тоже полный пожар, поражение электрическим током.

Как проверить работоспособность

Самое главное выяснить, есть ли зазор. Некоторые типы предохранителей (часто автомобильные) имеют встроенный индикатор того, что они перегорели. В слаботочных версиях сквозь стеклянную колбу виден провод (при его обрыве изделие не работает).

Есть варианты ПП с непрозрачными вставками, корпусами из полимеров, волокон, керамики и без индикаторов. Диагностировать обрыв можно мультиметром:

1. Режим измерения сопротивления (буква «омега» на шкале, выберите минимальное значение). Щупы — к контактам: при «0» или близких к нему показателях — работоспособность; 1 или знак бесконечности — ставка сгорела, есть разрыв.
2. Режим набора номера: ноль (близкий к нулю) или цифра — производительность, если есть опция зуммера, тестер издаст писк; 1 — перерыв.