Назначение, принцип действия и устройство предохранителя

Плавкие предохранители предназначены для защиты электрических цепей от коротких замыканий и перегрузок. В свое время эти устройства использовались повсеместно в различных электроустановках, в том числе и в жилом секторе, но с появлением автоматических выключателей, они постепенно исчезли из наших квартир.

Несмотря на то, что в домашних электрощитах уже редко можно встретить классические “пробки”, это не означает, что плавкие предохранители стали каким-то анахронизмом. Они по прежнему находят широкое применение в распределительных устройствах, промышленных установках, электронике, во многом благодаря своей надежности, скорости срабатывания, простоте конструкции и невысокой стоимости.

Более того, иногда предохранители предпочтительней в качестве защитного устройства чем автоматические выключатели, например производители рекомендуют использовать именно предохранители быстродействующего типа для защиты полупроводникового оборудования, такого как частотные преобразователи, софт-стартеры и т.д. так как автоматические выключатели не всегда могут обеспечить необходимое быстродействие, а это может быть критично для силовых диодов, транзисторов, тиристоров.

Плавким предохранитель называют потому что в его основе лежит плавкая вставка, которая при прохождении через нее тока, превышающего заданное значение, нагревается до температуры, при которой она расплавляется, тем самым размыкая цепь. В основе этих процессов лежит закон Джоуля-Ленца, согласно которому при протекании электрического тока происходит выделение тепла на проводнике.

Отсюда вытекает и главный минус таких предохранителей — после срабатывания их необходимо каждый раз менять.

Правда стоит отметить, что есть разновидность самовосстанавливающихся предохранителей, изготавливающихся из полимерных материалов с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Принцип их действия основан на том, что при превышении значения порогового тока, резко увеличивается их сопротивление, что ведет к разрыву электрической цепи. После устранения причины срабатывания его сопротивление восстанавливается и цепь вновь замыкается.

Типы предохранителей

В зависимости от назначения предохранители изготавливаются различных типов.

Слаботочные. Применяются в цепях, рассчитанных на небольшой потребляемой ток — до 6А. Это пожалуй наиболее распространенный тип предохранителей, которые часто встречаются в бытовых электроприборах. Бывают различных типоразмеров, обозначающих внешний диаметр х длину (3×15, 4×15, 5×20, 6×32, 7×15, 10×30).

К этой группе можно отнести также термопредохранители.

Вилочные. Такого типа предохранители нашли широкое распространение в автомобилях. Различаются между собой размерами и формой корпуса — Мини — H=16 мм, Стандарт — Н=19 мм, Макси — Н= 34мм. В зависимости от номинальной величины тока имеют различную цветовую маркировку корпуса.

Пробковые. Используются как в промышленном оборудовании, так и в жилом секторе. Рассчитаны на номинальный ток до 63А. По своей конструкции практически идентичны слаботочным, только имеют не стеклянный, а керамический корпус. В качестве основания для таких предохранителей используются либо резьбовые цоколи типа NEOZED, либо разъединители типа MINIZED с выдвижным лотком.

Ножевые. Применяются в силовых цепях электроустановок до 1000В. Рассчитаны на ток до 1250А. Корпус ножевых предохранителей заполняется специальным наполнителем для гашения электрической дуги, в качестве которого обычно используется кварцевый песок. В зависимости от исполнения могут иметь визуальный индикатор срабатывания и механизм дистанционной сигнализации срабатывания.

Кварцевые и Газогенерирующие. Применяются в высоковольтных сетях.

Преимущества и недостатки

К плюсам плавких предохранителей можно отнести относительно невысокую стоимость.

Основным недостатком плавкого предохранителя является относительно долгое срабатывание по сравнению с автоматическими предохранителями. За время перегорания предохранителя в высоковольтных сетях может выйти из строя оборудование. Кроме того, плавкий предохранитель является одноразовым элементом, то есть, однажды сгорев, дальнейшему использованию он не подлежит, в то время как автоматические предохранители могут довольно долго служить, так как принцип их работы основан на размыкании цепи без повреждения конструкции самого предохранителя.

Выбор предохранителей

При выборе плавких предохранителей следует в первую очередь обращать внимание на такие параметры, как:

• Номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать рабочему напряжению сети, при этом действительное напряжение в сети не должно превышать номинального напряжения предохранителя больше чем на 10%.
• Номинальный ток плавкой вставки должен быть больше максимального длительного тока нагрузки — Iн.в. >Iн.макс, при этом необходимо учитывать характер нагрузки. Например при защите электродвигателя надо учесть кратковременные перегрузки, вызванные пусковыми токами — Iн.в. > Iпуск.дв/k — где k — коэффициент, учитывающий отношение пускового тока к номинальному. Согласно ПУЭ п.5.3.56 для двигателей с легкими условиями пуска k принимается равным 2,5, для двигателей с тяжелым пуском (большая длительность разгона, частые пуски и т.п.) k должно быть равным 2,0-1,6.
• Номинальный ток отключения принимается, исходя из расчетного максимального тока к.з линии и должен быть равен ему либо больше Iном.откл ≥ Iмакс.кз.
• Временные характеристики срабатывания, которые зависят опять же от характера защищаемой нагрузки. Выпускают предохранители четырех типов срабатывания —
• сверхбыстрые (Ultra rapid) — применяются как правило для защиты полупроводниковых приборов и микросхем.
• быстрые (Quick acting) — основное применения в цепях управления и сигнализации.
• стандартные (Standart fuses) — имеют широкий диапазон применения.
• с временной задержкой или замедленные (Time-lag, Slow acting) — предназначены для защиты цепей электродвигателей, имеющих большие пусковые токи.

Назначение, принцип действия и устройство предохранителя

Для ускорения плавления вставок при перегрузках на проволоки напаиваются оловянные шарики. При токах перегрузки шарик расплавляется и растворяет часть металла, на котором он напаян. Вставка перегорает в месте напайки шарика.

Параметры предохранителя

Предохранитель работает в двух резко различных режимах: в нормальных условиях и условиях перегрузок и КЗ. В первом случае перегрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки Iном.

Он может быть отличен от номинального тока самого предохранителя.

Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на разные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя

, указанный на нем, равен наибольшему из токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

Защитные свойства предохранителя при перегрузках нормируются. Для предохранителей обычного быстродействия задаются условный ток не плавления

— ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка не должна перегореть,
условный ток плавления
— ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка должна перегореть. Например, для предохранителя с плавкими вставками на номинальные токи 63 -100 А плавкие вставки не должны перегореть при протекании тока 1,3
I
ном в течении одного часа, а при токе 1,6
I
ном должны перегореть за время до одного часа.

Рассмотрим нагрев вставки при длительной нагрузке.

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика

, представляющая собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока
t
=f(
i
). Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 6.3) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 6.3) . Однако реальная характеристика предохранителя (кривая

3) пересекает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске

Рис. 6.3. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта

двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. Поэтому ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересекаются. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает. При небольших перегрузках (1,5 – 2)I

ном нагрев предохранителя протекает .медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде,

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным током I

noгp. Для того, чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе
I
ном, необходимо
I
noгp >
I
ном. С другой стороны, для лучшей защиты значение
I
noгp должно быть возможно ближе к номинальному.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и сплавы (медь, серебро, цинк, свинец, алюминий).

Рассмотрим нагрев вставки при КЗ.

Если ток, проходящий через вставку, в 3 — 4 раза больше I

ном, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т.е. все тепло, выделяемое вставкой, идет на ее нагрев.

Время нагрева вставки до температуры плавления

,

где А’- постоянная, определяемая свойствами материала; q

— поперечное сечение вставки;
j
к -плотность тока вставки.

По мере того как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится (в десятки раз). Время перехода из твердого состояния в жидкое

,

где — удельное сопротивление материала вставки при температуре плавления; — удельное сопротивление материала вставки в жидком состоянии; у — плотность материала вставки; L

— скрытая теплота плавления материала

вставки.

Основным параметром предохранителя при КЗ является предельный ток отключения

— ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наибольшем рабочему напряжению.

Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем

t

пр=
t
пл
+ t
перех +
t
дуги

Для предохранителя со вставкой, находящейся в воздухе

,

где коэффициент n

=3 учитывает преждевременное разрушение вставки, a k0 = 1.2 -1.3 учитывает длительности горения дуги.

В предохранителях с наполнителем (закрытого типа) разрушение вставки до полного ее плавления менее вероятно. Время отключения цепи предохранителем

,

Коэффициент кд = 1,7 -2 учитывает длительность горения дуги.

Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева протекает так быстро, что тепло почти не успевает отводится на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко снизить время с момента начала КЗ до появления дуги. Процесс гашения дуги начинается до момента достижения током КЗ установившегося или даже амплитудного значения. Дуга образуется через время t

1 после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значения
I
k уст.

Средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, т. К. Отклю­чается не установившийся ток КЗ, а ток, определяемый временем плавления вставки.

Рис. 6.4. Отключение постоянного и переменного тока предохранителем с токоограничением

Конструкция предохранителей

в) Устройство предохранителя.Широкое применение предохранителей в

самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако, несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус или несущую деталь, плавкую вставку, контактное присоединительное устройство, дугогасительное устройство или дугогасительную среду.

⇐ Предыдущая23Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы:

Маркировка предохранителей

Стандартная маркировка предохранителей состоит из двух букв.

Первая буква обозначает диапазон защиты:

a — частичный диапазон (защита только от токов короткого замыкания)

g — полный диапазон (защита от токов короткого замыкания и перегрузки)

Вторая буква обозначает тип защищаемого оборудования:

G — универсальный для защиты различных типов оборудования: кабелей, электродвигателей, трансформаторов.

L — для защиты кабелей и распределительных устройств.

B — для защиты горного оборудования. Имеют повышенные требования по взрывобезопасности.

F — защита слаботочных цепей

M — для цепей электродвигателей и отключающих устройств.

R — для защиты полупроводниковых устройств.

S — быстродействующие при коротком замыкании и среднее время срабатывания при перегрузке.

Tr — для защиты трансформаторов.

На быстродействующих предохранителях также в качестве графического обозначения может указываться знак диода —

На предохранителях, имеющих временную задержку часто указывается стилизованный символ улитки —

Ниже в таблице приведены основные классы предохранителей и их область применения.

Электрический предохранитель