Электрические предохранители: виды и особенности

Введение

Любая электрическая сеть, а также электрооборудование нуждаются в защите от так называемых перегрузок по току, т.е коротких замыканий и токов перегрузки. Самым простым и дешевым решением этой проблемы являются предохранители (далее предохранители).

Предохранитель — это коммутационное электротехническое устройство, предназначенное для отключения защищаемой цепи путем разрушения специально предназначенных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение. (ГОСТ 17703-72, пункт 25)

Таким образом, как следует из определения, предохранитель — это устройство, имеющее в своем составе специально заданную токопроводящую часть — плавкий элемент, через который проходит электрический ток от источника питания к потребителю, и если значение этого тока превышает заданное значение, под его воздействием разрушается плавкий элемент, тем самым разрывая электрическую цепь, что предотвращает повреждение защищаемой электрической цепи и электрооборудования.

То есть предохранитель – это одноразовое устройство, в отличие от автоматического выключателя, его нельзя включать после срабатывания. Его можно использовать повторно только после замены так называемой плавкой вставки, в состав которой входит упомянутый выше плавкий элемент.

В зависимости от назначения предохранители могут иметь разные виды конструкции:

1. слаботочные вставки (для защиты небольших электроприборов до 6 ампер)
2. вилка (для защиты электрических цепей в автомобилях)
3. пробковый (встречается в жилом секторе, до 63 ампер)
4. нож (до 1250 ампер)
5. кварц
6. газовая генерация

Назначение предохранителей

Любая электрическая цепь состоит из отдельных элементов с определенными значениями силы тока, с которыми они способны работать. При резких скачках напряжения в сети сила тока в цепи становится выше той, которую могут выдержать отдельные ее элементы

Основная задача предохранителя — вовремя разомкнуть сеть, чтобы не было короткого замыкания

Это может привести к повреждению оборудования. В таких ситуациях плавкие предохранители помогают избежать повреждения элементов электрических цепей.

Виды электрических плавких предохранителей

Предохранители считаются самыми дешевыми и надежными. Кроме того, именно этот тип предохранителей чаще всего встречается в домах старого жилого фонда, так как они входят в состав практически всех сетей. Например, их можно найти в большинстве инвентарей. Единственный минус в том, что такой предохранитель можно использовать только один раз.

Предохранители делятся по типу и исполнению. По типу можно выделить следующие виды предохранителей:

• первый размер D;
• цилиндрические предохранители;
• предохранители со штыревыми клеммами;
• предохранители высокого напряжения.

В первых трех типах предохранителей используются плавкие вставки gG (первая буква указывает на зону частичной защиты от короткого замыкания, вторая — на то, что она может защитить любое устройство). Их тела полностью керамические.

В высоковольтных предохранителях, хотя принцип действия остается прежним, мощность значительно возрастает, поэтому их корпус больше, чем, например, у цилиндрических моделей.

По исполнению предохранители подразделяются на:

• слаботочные вставки;
• вилочные погрузчики;
• пробка;
• нож;
• кварц.

Слаботочные вставки используются для защиты маломощных цепей, обычно до 6 ампер. Чаще всего они имеют цилиндрическую форму, по бокам металлические контакты, — внутри тонкая проволока.

Вилочные предохранители чаще всего используются в автомобильных электрических цепях постоянного тока. Контакты в таком предохранителе находятся с одной стороны, плавкая часть – с другой.

Пробковые предохранители наиболее распространены в старых жилых массивах бывшего Советского Союза. Внутри фарфоровой шкатулки находится тонкая проволока, которая в случае опасности сгорает.

Плавкие предохранители чаще всего встречаются в промышленности, так как они изготавливаются для больших токов (до 1250 ампер). Их стараются использовать только там, где работает квалифицированный персонал со знаниями в области безопасности.

Кварцевые предохранители находятся где-то между пробковыми и ножевыми предохранителями. Рассчитан на номинальные токи 400 ампер.

Устройство и принцип работы

Конструкция и принцип действия всех предохранителей схожи и имеют лишь незначительные отличия в зависимости от условий эксплуатации и параметров сети, для защиты которой они предназначены. Здесь мы рассмотрим предохранительное устройство ножевого типа.

Контактные ножи механически и электрически соединяют плавкую вставку с основанием предохранителя. Они изготавливаются из меди или медного сплава с покрытием из олова или серебра и необходимы для включения предохранителя в электрическую цепь путем установки их в специальные держатели.

Индикатор работы (указатель) позволяет быстро определить перегоревшие предохранители.

При повышенной жесткости пружины индикатора он также может служить ударным сигнальным устройством для приведения в действие микровыключателей — для включения сигнальных и управляющих цепей, или разъединения — для отключения питания всей сети для предотвращения ее работы в разомкнутой фазе режим (на двух фазах), который необходим для защиты некоторых видов электрооборудования, например электродвигателей.

Защитные кожухи имеют планки для захвата унифицированными рукоятками — специальным приспособлением для снятия и установки предохранителей. Вместе с керамическим корпусом они образуют огнеупорную оболочку для электрической дуги.

Плавкий элемент выполнен в виде перфорированной медной или серебряной ленты. Конфигурация плавкого элемента может быть различной и определяется номинальным током и напряжением. Количество перфораций (перетяжек) определяется рабочим напряжением предохранителя исходя из правила — одна перетяжка ~ 100 В рабочего напряжения.

Керамический изолятор предотвращает выход горячих газов и жидкого металла в окружающую среду. Он изготовлен из высококачественной технической керамики и должен выдерживать очень высокие температуры и внутреннее давление в выключенном состоянии.

Оловянный припой наносится в виде шарика на плавкую вставку и представляет собой растворитель металлической меди. Вставка вплавляется в олово при меньшем значении тока и температуре в 2–3 раза ниже температуры плавления самой меди. Наличие такого жестяного шарика улучшает защиту предохранителя от перегрузки.

Кварцевый песок – действует как среда дуги. В момент срабатывания предохранителя (перегорания предохранителя) может возникнуть дуговой разряд, так называемая электрическая дуга, этот разряд ионизирует воздух (газ) внутри предохранителя, что в свою очередь поддерживает горение дуги. Пока горит дуга, через предохранитель течет ток.

Именно кварцевый песок препятствует образованию дуги и делает невозможным горение, сплавляется с материалом плавкого элемента, песок образует стеклообразный материал — фульгурит, обеспечивающий надежный разрыв в электрической сети благодаря своей высокой изоляционные свойства.

Кварцевый песок не применяют в слаботочных (вилочных, пробковых) предохранителях, так как образование дуги в них невозможно.

Как было сказано выше, принцип работы всех предохранителей одинаков. Предохранитель, а точнее его плавкая вставка, специально сконструирован таким образом, что является самым слабым звеном защищаемой им электрической цепи.

В случае аварийного режима (короткое замыкание или перегрузка) плавкая вставка перегорает, тем самым разрывая цепь и предотвращая последующее разрушение более ценных элементов электрической цепи большим током в аварийном режиме (сверхток).

Способы проверки работоспособности предохранителей в автомобиле

Проверка целостности

Самый простой способ — визуальная проверка. Тем не менее, вам нужно выполнить несколько простых шагов, чтобы сделать эту процедуру безопасной. А именно, прежде чем что-либо выдергивать из автомобильной сети, поверните ключ зажигания в положение «ВЫКЛ».

Замену предохранителя в автомобиле следует начинать с запоминания того, как эта деталь находится в гнезде (а затем переустановить ее в прежнее положение или заменить). Также следует помнить, что этот защитный элемент не перегорает просто так.

Если металл внутри расплавился, значит, тому была причина в виде резкого скачка силы тока. Поэтому, если корень проблемы не устранен, предохранитель обязательно снова выйдет из строя.

Как проверить главный предохранитель?

Основной элемент защиты обычно находится на положительном полюсе аккумулятора (ну или в блоке предохранителей автомобиля в первой части цепи). Основной предохранитель обычно ленточный и перегорает он из-за недопустимого случайного прикосновения к клемме аккумулятора во время зарядки. Явным признаком такой неисправности является полное отсутствие мощности в автомобиле.

Основной защитный элемент имеет довольно большие размеры, поэтому то, что он сгорел, всегда хорошо видно. Также конструкция предохранителей автомобиля такова, что если перегорел самый стойкий предохранитель, то скорее всего перегорели и те, которые рассчитаны на меньший ток — их тоже стоит проверить.

Как проверить предохранитель с помощью мультиметра?

С помощью мультиметра состояние предохранителя можно диагностировать двумя способами.

Сначала измерьте напряжение на контактах предохранителя. Обычно верхние части обоих проводов выступают через корпус защитного элемента. Настройте мультиметр на измерение напряжения постоянного тока (= U). Затем подключаем черный щуп к минусовой клемме (или к кузову автомобиля) и включаем зажигание. Также рекомендуется предварительно поставить автомобиль на ручник.

Правила замены предохранителей в автомобиле

Особенности замены:

• Замените подобное на подобное, то есть замените сгоревший предохранитель на точно такой же номинал. В противном случае он не сможет защитить от непроектного броска тока.
• замена его на элемент с менее тугоплавкой вставкой приведет к тому, что он выйдет из строя быстрее, хотя параметры тока для этой части схемы будут в норме.
• Номинал защитного элемента должен быть виден не на крышке, а на гнезде, где он находится. Ведь недобросовестные ремонтники могут поставить предохранитель с номиналом, не соответствующим нормативному значению.
• Повторный выход из строя защитного элемента свидетельствует о проблеме в цепи (где-то «короткое замыкание»). Следует обратиться к специалистам, но менять предохранитель на новый пока не стоит – он, скорее всего, тоже сгорит.
• Ни в коем случае не используйте «баги». Даже если угадать с сечением и общим сопротивлением, розетки все равно будут нагреваться, что может привести к расплавлению припоя и пожароопасности. И защиты в цепи тоже не будет

Основные электрические характеристики

1. Номинальное напряжение Un – это напряжение, при котором гарантируются параметры отключения.
2. Номинальный ток In — это значение тока, которое предохранитель может пропускать длительное время при заданных условиях без повреждения.
3. Предельная отключающая способность — это максимальный потенциальный ток короткого замыкания, при котором предохранитель может отключиться, не разрушая его.
4. Интеграл Джоуля I2t — это характеристика предохранителя, определяющая, какое количество энергии предохранитель способен пропустить через себя до отключения тока короткого замыкания.

Для предохранителя стандарт определяет характеристику I2t (см рис. 2) как кривую, которая дает максимальное значение I2t как функцию потенциального тока при заданных условиях эксплуатации.

I2t определяет количество энергии, прошедшей через плавкую вставку во время обычных испытаний на ток короткого замыкания. Характеристика позволяет комплексно оценить коммутационное сопротивление устройства при прохождении через него определенного количества энергии.

1. Потери тока являются произведением падения напряжения и номинального тока при установившемся тепловом режиме.
2. Температурная зависимость рабочего тока (см рис. 3).

Если плавкие вставки рассчитаны на непрерывную полную нагрузку при умеренной температуре окружающей среды, может потребоваться уменьшить номинальный ток. Коэффициент такого снижения указывается производителем в эксплуатационной документации с учетом всех условий эксплуатации.

 

Повышение средней температуры окружающей среды приводит к относительно небольшому увеличению температуры перегрева.

Повышение средней температуры окружающей среды приводит к некоторому, обычно незначительному, снижению условно-расплавных и нерасплавных токов.

Если повышение средней температуры воздуха вокруг плавкой вставки вызвано пуском двигателя, номинальный ток этой плавкой вставки не должен уменьшаться.

1. Характеристика дальности отключения.

Наиболее важной и информативной характеристикой предохранителя является характеристика диапазона срабатывания плавкой вставки (временно-токовая характеристика) (см рис. 4), которая представляет собой кривую зависимости фактического времени срабатывания от ожидаемого переменного/постоянного тока при заданных условиях срабатывания

Временные характеристики плавких вставок бывают нескольких типов. Тип времятоковой характеристики указывается в маркировке (см главу 3. Маркировка).

Времятоковая характеристика имеет досадное свойство, заключающееся в том, что она дается для «заданных условий срабатывания», что в первую очередь относится к температуре окружающей среды. Поэтому, чтобы узнать время срабатывания при других температурах, необходимо учитывать поправочные коэффициенты, указанные производителем в эксплуатационной документации.

Маркировка предохранителей

В соответствии с ГОСТ 17242-86 маркировка предохранителей (см рис. 5) содержит следующие данные:

• а) товарный знак изготовителя;
• б) обозначение серии (типа, исполнения) предохранителя или его каталожный номер;
• в) номинальный ток;
• г) номинальное напряжение постоянного и переменного тока с указанием рода тока;
• д) характеристика диапазона отключения (временно-токовая характеристика)*;
• д) трещиноемкость;
• г) размер;
• и) обозначение стандарта или технических условий на предохранитель конкретной серии или типа.

* Для идентификации по этому параметру плавкие вставки маркируются двумя латинскими буквами.

Первая буква обозначает предельное значение:

• а — отключающая способность в частях диапазона токов срабатывания, гарантирует надежную защиту оборудования от токов короткого замыкания;
• б — отключающая способность во всем диапазоне токов отключения, гарантируют надежную защиту оборудования от токов перегрузки и коротких замыканий.

Вторая буква описывает тип защищаемого оборудования (характеристику или категорию):

• Г — общего применения;
• L — защита кабелей и распределителей;
• М — защита электродвигателей;
• R — защита полупроводниковых приборов.

Читайте также: Наведенное напряжение: причины возникновения и меры защиты

Выбор плавкого предохранителя

В соответствии с ГОСТ МЭК 60269-1-2016 номинальный ток предохранителя следует выбирать из следующего диапазона: 2; четыре; 6; 8; 10; 12; шестнадцать; 20; 25; 32; 35; 40; 50; 63; 80; одна сотня; 125; 160; 200; 250; 314; 400; 500; 630; 800; 1000, 1250 А.

Максимальное напряжение в системе не должно превышать 110 % от номинального напряжения предохранителя. При постоянном напряжении, полученном выпрямлением переменного напряжения, пульсации не должны вызывать колебаний более чем на 5 % выше или на 9 % ниже среднего значения 110 % номинального напряжения.

Для предохранителей с номинальным напряжением 690 В максимальное напряжение сети не должно превышать 105% номинального напряжения предохранителя.

ГОСТ Р 50571.4.43-2012 предписывает согласование между проводниками и устройствами защиты от перегрузок, заключающееся в обеспечении соблюдения следующих условий:

Ib ≤ In ≤ Iz(1)

I2≤ 1,45 Из(2)

Ib – ток нагрузки; Iz — длительная нагрузочная способность кабеля; In — номинальный ток защитного устройства; — ток, обеспечивающий эффективную работу устройства защиты в течение определенного времени.

Если в качестве защитного устройства используется плавкий предохранитель, формула (2) будет иметь вид:

1,6In≤ 1,45Iz или In≤ 0,9Iz

так как по ГОСТ IEC 60269-1-2016 ток 1,6In является условным током срабатывания предохранителя.

Поэтому для выполнения защиты от перегрузки с помощью предохранителя необходимо обеспечить следующее:

Ib≤In≤0.9Iz

Реализация селективности

В соответствии с ГОСТ 31196.2.1-2012 для предохранителей типа гГ для обеспечения селективности должно выполняться соотношение не менее 1,6:1 к номиналу следующего предохранителя.

Селективность предохранителей типа aM обеспечивается входным предохранителем gG.

Для других типов низковольтных предохранителей, а также высоковольтных предохранителей селективность защиты определяется исходя из характеристик устройств в документации изготовителя.

Условие селективности для предохранителей с t<0,01 (преддуговое время): нижний порог I2t (время до начала плавления плавкого предохранителя или время до перегорания) следующего предохранителя должен быть больше верхнего порога I2t предыдущего предохранителя (плавка) время и эксплуатация).

Пример выбора предохранителей для защиты кабельных линии

Рассчитаем предохранители для следующей цепи

Определяем расчетные токовые нагрузки для каждого кабеля по формулам:

• Для однофазной сети:

Iр=P/UФ*cosφ

• Для трехфазной сети:

Iр=P/√3*Uл*cosφ

куда:

• P — Расчетная мощность сети, в ваттах (как определить расчетную мощность бытовой сети, читайте здесь.);
• Uph — Фазное напряжение, в вольтах (напряжение между фазой и нейтралью);
• Ul — Линейное напряжение, в вольтах (напряжение между двумя фазами);
• cosφ — коэффициент мощности — отношение активной мощности к полной мощности (при отсутствии данных принимается равным: от 0,95 до 1 — для бытовых электрических сетей (обычно 1); от 0,75 до 0,85 — для промышленных электрических сетей);

Примечание: ток сети можно рассчитать с помощью нашего калькулятора тока сети.

Так как сеть в нашем случае однофазная (220 вольт), то токовая нагрузка на кабель №4 (Iб4) составит:

Ib4=P/Uf*cosφ=4000/220*1=18,2 А

По указанному выше диапазону номинальных токов предохранителей выбираем предохранитель FU4 с номинальным током (In4) 20 А.

В соответствии с таблицей длительно допустимых токов (см табл. 1.3.6 ПУЭ) принимаем сечение жил кабеля № 4 мм2 и выбираем кабель типа ВВГ 3×2,5 (длинный) -временная нагрузочная способность (долговременно допустимый ток) 25 А).

Проверяем соответствие выбранного кабеля №4 и предохранителя

Ib4≤ In4 ≤ 0,9Iz4 → 18,2 ≤ 20 ≤ 0,9*25 → 18,2 ≤ 20 ≤ 22,5 – условие выполнено

Аналогично проводим расчеты для кабелей №2 и №3

Кабель №3:

• ток (Iб3) — 27,3А
• кабель типа ВВГ 3х6 (постоянный ток 42 А)
• предохранитель (FU3) с номинальным током (In3) 32 А
• b3≤ In3 ≤ 0,9Iz3 → 27,3 ≤ 32 ≤ 0,9*42 → 27,3 ≤ 32 ≤ 37,8 – условие выполнено

Кабель №2:

• ток (Iб2) — 22,7А
• кабель типа ВВГ 3х4 (постоянный ток 35 А)
• предохранитель (FU2) с номинальным током (In2) 25 А
• b2≤ In2 ≤ 0,9Iz2 → 22,7 ≤ 25 ≤ 0,9*35 → 22,7 ≤ 25 ≤ 31,5 – условие выполнено

Кабель №1:

• ток (Iб2) — 68,2А
• кабель типа ВВГ 3×25 (постоянный ток 95 А)
• предохранитель (FU2) с номинальным током (In1) 80 А
• b1≤ In1 ≤ 0,9Iz1 → 68,2 ≤ 80 ≤ 0,9*95 → 68,2 ≤ 80 ≤ 85,5 – условие выполнено

Проверяем условие обеспечения селективности между входным предохранителем и предохранителями отходящих линий:

• In1/In4 ≥ 1,6 → 80/20 ≥ 1,6 → 4 ≥ 1,6 – условие выполнено
• In1/In3 ≥ 1,6 → 80/32 ≥ 1,6 → 2,5 ≥ 1,6 – условие выполнено
• In1/In2 ≥ 1,6 → 80/25 ≥ 1,6 → 3,2 ≥ 1,6 – условие выполнено

Защита электродвигателя

При выборе предохранителя необходимо убедиться, что защита между предохранителем и двигателем согласована. Это достигается соблюдением следующих основных условий:

1. Пересечение времятоковых характеристик предохранителя и защитных устройств должно быть до диапазона разрушения контактора;
2. Предохранитель не должен срабатывать во время запуска двигателя;
3. Пиковый ток, подаваемый в цепь, не должен превышать предельную мощность и отключающую способность выключателя защиты двигателя или контактора;
4. Параметр I2t не должен превышать предельную выработку и отключающую способность теплового реле и контактора.

Возможные последствия неправильно поставленной защиты:

1. Ток короткого замыкания превышает предельную выработку и отключающую способность контактора:

• приварка контактов контактора;
• разрушение дугогасительной камеры.

1. Ток короткого замыкания превышает предельную выработку и отключающую способность биметаллической пластины реле:

• защита двигателя невозможна;
• выгорание биметаллического элемента.

При выборе плавких вставок учитывают следующие требования:

1. Номинальный ток плавкой вставки In.inst должен быть равен или немного превышать расчетный Icalc (номинальный ток In) тока двигателя:

In.vst ≥Iрасч = In

1. Плавкая вставка не должна плавиться при пуске или реверсе двигателя, когда через нее проходит ток Imax:

In.int ≥Imax/α

где α — коэффициент кратковременной тепловой перегрузки плавкой вставки, равный 2,5 для электродвигателей, пускаемых на холостом ходу; для электродвигателей, запускаемых под нагрузкой — 1,6-2,0.

1. Плавкая вставка для линии, питающей несколько электродвигателей с короткозамкнутым ротором и другой нагрузкой, выбирается по двум условиям:

а) усилие должно соответствовать номинальному току провода:

In.int ≥ ΣIрасч

б) вставка не должна плавиться при пуске двигателя с наибольшим пусковым током при временно включенных всех других нагрузках:

In.int ≥ ΣIcalc+ Istart.nb / α

где ΣIрасч — номинальный ток линии без учета стартера;

Istart.nb — наибольший пусковой ток одного из электродвигателей.

Из значений, определенных в пунктах «а» и «б», выберите наибольшее. Определив значение In.вст (точка 1, 2 или 3), по шкале токов плавких вставок выбирают его ближайшее номинальное значение.

Пример 1

Выберите предохранитель для двигателя при пуске без нагрузки.

Исходные данные:

Рн=10 кВт; Un=380 В; ИП/В=4,5; п = 0,865; cosφn=0,82

Решение

1. Номинальный ток двигателя:

Iрасч = In = Pn * 103 / √3 * Un * cosφn * ηn = 10 * 1000 / 1,73 * 380 * 0,82 * 0,865 = 21,5 А

2. Пусковой ток двигателя:

Ip = Imax = 4,5 In = 4,5 * 21,5 = 96,8 А

3. Ток плавкой вставки:

In.inst ≥ Imax / α=96,8/2,5=38,7 А

4. Подбираем плавкую вставку на номинальный ток по шкале:

В.вст = 40А

Пример 2

Выберите предохранитель для двигателя при пуске под нагрузкой.

Исходные данные:

Рн=55 кВт; Un=380 В; ИП/В=7,5; п = 0,905; cosφn=0,91

1. Номинальный ток двигателя:

Iрасч = In = Pn * 103 / √3 * Un * cosφn * ηn = 55 * 1000 / 1,73 * 380 * 0,91 * 0,905 = 102А

2. Пусковой ток двигателя:

Ip = Imax = 7,5 In = 7,5 * 102 = 765А

3. Ток плавкой вставки:

In.inst ≥ Imax / α=765/2=382,5A

4. Подбираем плавкую вставку на номинальный ток по шкале:

В.вст = 400А

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.