Для чего применяются плавкие предохранители

Что такое плавкие предохранители и для чего они необходимы?

Защита электрических цепей от КЗ и перегрузок является одной из самых важных задач в электротехнике. С этой целью изобретено множество защитных аппаратов, которые сегодня применяются как в силовых цепях, так и для защиты электрических схем в различных устройствах. Практически в каждом сложном электроприборе можно встретить плавкие предохранители – одноразовые коммутационные устройства, разъединяющие цепь в аварийной ситуации.

Защитные характеристики плавких предохранителей

Защитные характеристики представляют собой зависимости времени плавления t_пл или времени отключения цени t_от от соответствующих значений тока, неизменного во времени (рис.1).

Рис.1. Примерный вид защитных характеристик плавких предохранителей

Интервалы времени установлены в пределах от 0,01 с до 1 ч. Защитные характеристики предохранителей необходимы для координации их действия с действием других предохранителей и выключателей. Они могут быть получены только при испытании и сообщаются заводами-изготовителями по запросам. Как видно из рисунка, по мере увеличения номинального тока плавкой вставки характеристики смещаются вправо. Значение тока, при котором плавкая вставка предохранителя плавится в течение 1 ч, должно быть более 130% и менее 200% номинального тока вставки.

Коммутационная способность предохранителей

Предохранитель должен отключать при наибольшем рабочем напряжении любой ток в пределах от тока, плавящею вставку в течение 1 ч, до номинального тока отключения независимо от момента начала КЗ, т.е. при любой асимметрии тока. При этом не должны иметь место разрушения патрона или повреждения частей предохранителя.

Виды и типы плавких предохранителей

Для применения в электроцепях используют разные типы и разновидности ПП. Выпускаемые в России изделия отличаются по типу конструкции:

• наполненные с маркировкой ПН-2; ППН, НПН и т. п.;
• ненаполненные (ПР-2).

Понятие наполненности связано с наличием внутри отдельных видов вставок вещества, гасящего электродугу, возникающую в момент перегорания проводника. Цепь будет разомкнута только после её исчезновения. Поэтому в колбах, наполненных ПП, находится кварцевый песок. Ненаполненные способны выделять газы, гасящие дугу. Это происходит при нагреве материала корпуса вставки.

Кроме типов, различают виды ПП:

1. Слаботочные применяют в маломощных бытовых приборах с потребляемым током силой до 6 А. Это цилиндрические вставки с контактами на торцах.
2. Вилочные ПП часто ставят в автомобили. Название обусловлено внешним видом: контакты находятся на одной стороне корпуса и вставляются в разъемы, как вилка в розетку.
3. Пробковые — распространенные в однофазных сетях электрические пробки для счетчика. Номинальный ток таких вставок составляет 63 А, они рассчитаны на единовременное включение нескольких бытовых приборов. Перегорающая вставка в таком предохранителе находится внутри керамического корпуса с патроном, снаружи остается 1 контакт, а другой соединяется с контактами пробки. При превышении нагрузки деталь сгорает, полностью обесточивая квартиру. Восстановить электроснабжение можно, заменив вставку на новую.
4. Трубчатый ПП по строению напоминает вставку для пробок, но его крепление выполнено между 2 контактами. Тип такого предохранителя — ненаполненный, а корпус сделан из фибры, которая при сильном нагреве выделяет газ.
5. Ножевые предохранители рассчитаны на величину тока 100-1250 А и применяются в сетях, где нужна высокая нагрузка (например, при подключении прибора с мощным двигателем).
6. Кварцевые , с наполнением кварцевым песком, применяются в сетях с напряжением до 36 кВ.
7. Газогенерирующие, разборные и неразборные. При сгорании разновидностей ПСН, ПВТ происходит мощное выделение газа, сопровождающееся хлопком. ПП применяют для сетей с напряжением 35-110 кВ. Номинальный ток такого ПП — до 100А.

В зависимости от общей нагрузки на сеть устанавливают разные виды ПП — более мощные ставят в специальных трансформаторных будках, они могут выдерживать ток, обеспечивающий потребности жилого массива иди предприятия. Маломощные монтируют в счетчиках: они защищают отдельные квартиры. В старых бытовых приборах тоже может быть установлен ПП (слаботочный), но современная техника содержит эти элементы редко.

О предохранителях электрических цепей

В настоящее время основными способами защиты электрических цепей напряжением 380/220 В от токов короткого замыкания и перегрузок является применение плавких предохранителей или автоматических выключателей.

Применение плавких предохранителей обосновано в таких электрических схемах, когда необходимо обеспечить только защиту от токов КЗ и перегрузки при обеспечении высокой отключающей способности (до 120 кА). Такая схема будет значительно дешевле схемы, в которой защиту возлагают исключительно на автоматические выключатели. Для сравнения: комплект из трех предохранителей с номинальным током плавкой вставки 125 А с отключающей способностью 120 кА марки 125NH00B-400 установленных в держателе EBH00O3TS5 фирмы Bussmann более чем в 5 раз дешевле автоматического выключателя с номинальным током расцепителя 125 А и отключающей способностью 36 кА марки SACE TmaxXT1 160 TMD фирмы ABB.

Защитная функция плавких предохранителей основана на термическом воздействии электрического тока на проводник (плавкую вставку). В случае превышения значения тока в защищаемой цепи определенных значений плавкая вставка расплавляется (перегорает) и при этом возникает разрыв электрической цепи.

Как правило, предохранители характеризуются следующими параметрами:

• номинальным напряжением U_ном.пр. , что соответствует максимальному номинальному напряжению цепи, в которой допускается установка конкретного предохранителя;
• номинальный ток плавкой вставки I_ном.вс. , сколь угодно долго протекающий через предохранитель и не вызывающий расплавление плавкой вставки ток;
• номинальный ток предохранителя I_ном.пр., сколь угодно долго протекающий через предохранитель и не вызывающий изменений в его конструкции электрический ток;
• предельно отключаемый ток предохранителя (ток короткого замыкания) I_{пр.откл.}, наибольший ток, при протекании которого происходит расплавление плавкой вставки предохранителя и гашение электрической дуги без каких-либо повреждений его конструкции.

Примечание: номинальное напряжение постоянного тока, как правило, ниже номинального напряжения переменного тока. Исходя из практики, за значение напряжения постоянного тока может быть принята как минимум половина значения переменного тока. Держатели предохранителей, промаркированные для переменного напряжения, могут также применяться при постоянном напряжении.

Важной характеристикой предохранителя является время-токовая характеристика, описываемая в виде графика, где по одной оси откладывается ток, чаще всего в относительных единицах (за единицу принимается номинальный ток плавкой вставки), а по другой оси — время срабатывания. При этом надо иметь в виду, что характеристика каждого экземпляра предохранителя (даже из одной партии) уникальна, указывается в каталоге на каждый тип предохранителя как «зона разброса характеристик».

Обозначения характеристики (класса) предохранителя:

— первая буква означает диапазон защиты:

• a — частичный диапазон (только защита от токов короткого замыкания);
• g — полный диапазон (защита и от токов короткого замыкания, и от перегрузки);

— вторая буква означает тип защищаемого оборудования:

• G — универсальный предохранитель для защиты различных типов оборудования: кабелей, электродвигателей, трансформаторов;
• L — защита кабелей и распределительных устройств;
• B — защита горного оборудования;
• F — защита маломощных цепей;
• M — защита цепей электродвигателей и отключающих устройств;
• R — защита полупроводников;
• S — быстрая реакция при коротком замыкании и среднее время реакции при перегрузке;
• Tr — защита трансформаторов.

Примеры характеристик ножевых предохранителей с характеристикой gL/gG:

Особенности конструкции быстродействующих предохранителей

Полупроводники имеют совсем небольшую теплоемкость и жесткую верхнюю границу температуры запирающего слоя, около 125°С. То есть, при защите термочувствительных полупроводников необходимо согласовать характеристики плавкого металлического элемента с допустимой тепловой перегрузкой полупроводника. Таким образом, эффективная защита должна отключать очень быстро все токи, превышающие номинальный ток полупроводника. Ради достижения этой цели были разработаны быстродействующие предохранители с крайне малым сечением сужений плавкой вставки.

Плавкая вставка предохранителя защиты полупроводниковых приборов

Материалом плавкой вставки служит стойкое к окислению и хорошо проводящее тепло и электрический ток серебро. За счет высокой теплопроводности тепловая энергия, выделяемая в местах сужений при протекании номинального тока, быстро отводится на сплошные участки плавкой вставки и расплавления токоведущих суженых участков не происходит. При больших токах выделяемой тепловой энергии достаточно, чтобы быстро расплавить сужения плавкой вставки. Утилизация тепловой энергии происходит в наполнителе предохранителя и, соответственно, на его корпусе. Корпус предохранителя изготавливается из корундовой керамики, стойкой к изменениям температуры.

Выбирая предохранители необходимо учитывать следующие факторы:

• род тока (переменный –AC, постоянный – DС);
• номинальное напряжение;
• номинальный ток, протекающий в цепи защищаемой предохранителем;
• возможный ток короткого замыкания;
• характер защищаемого объекта (двигатель, кабельная линия, полупроводниковый прибор и т.д.) или время-токовая характеристика (класс предохранителя);
• конструктивные особенности предохранителей;
• конструктивные особенности держателей предохранителей.

Подобные держатели могут выполнять две функции:

• функцию защиты от токов к.з. и перегрузки;
• функцию разъединителя электрической цепи. I_пл.вст. QF6 в 1,6 раза, I_пл.вст. QF6 > I_пл.вст. QF5.). Предохранитель 80NHG000B-400, Bussmann. Размер предохранителя — 000. В качестве держателя выбран разъединитель- предохранитель EBH000O3TS5 (Bussmann).

5. Защита кабеля 2 к шкафу ШСУ1.

Для защиты пятижильного кабеля 5х25 мм² , проложенного в земле выбран плавкий предохранитель QF3: характеристика gG, I_ном.125 A (условия выбора: 1) I_пл.вст. I_пл.вст. QF8 в 1,6 раза). Предохранитель 125NHG00B-400, Bussmann. Размер предохранителя — 00. В качестве держателя выбран разъединитель- предохранитель EBH000O3TS5 (Bussmann).

6. Защита кабеля 3 к шкафу ШСУ2.

Для защиты пятижильного кабеля 5х16 мм² , проложенного в земле выбран плавкий предохранитель QF4: характеристика gG, I_ном.100A (условия выбора: 1) I_пл.вст. I_пл.вст. QF7 в 1,6 раза). Предохранитель 100NHG000B-400, Bussmann. Размер предохранителя — 000. В качестве держателя выбран разъединитель- предохранитель EBH000O3TS5 (Bussmann).

7. Защита ввода РУ 0,4кВ

Для защиты выбран плавкий предохранитель QF2: характеристика gG, I_ном.200 A (условия выбора: I_пл.вст. QF2 > I_пл.вст. QF3 в 1,6 раза). Предохранитель 200NHG1B-400, Bussmann. Размер предохранителя -1. В качестве держателя выбран разъединитель- предохранитель EBH1O3TS8 (Bussmann).

8. Защита кабеля 1 к РУ 0,4кВ.

Для защиты четырёхжильного кабеля 4х95 мм², проложенного в земле выбран плавкий предохранитель QF1: характеристика gG, I_ном.315A (условия выбора: 1) I_пл.вст. I_пл.вст. QF2 в 1,6 раза). Предохранитель 315NHG03B-400, Bussmann. Размер предохранителя — 03. В качестве держателя выбран разъединитель- предохранитель EBH3O3TM2 (Bussmann).

Применение предохранителей ПН и ПР

Предохранители ПН и ПР предназначены для защиты кабельных и воздушных линий электропередач и защиты электрических машин. Устанавливаются предохранители во вводных, вводно-распределительных щитах, в различных сборках. С помощью предохранителей защищаются силовые трансформаторы со стороны высокого напряжения.

В быту вы сталкивались с плавкими предохранителями этого типа, если делали электрику своими руками в доме или на даче. В зависимости от мощности потребления, на вводе электропитания в дом, ставится вводной щит с плавкими предохранителями. Уже после вводного щита, устанавливается распределительный щит для разделения электропроводки на группы и защитой групп розеток и групп освещения автоматами защиты.

Расчет мощности

Плавкая вставка выбирается с таким расчетом, чтобы она плавилась раньше, чем температура проводов линии достигнет опасного уровня или перегруженный потребитель выйдет из строя. По конструктивным особенностям различают пластинчатые, патронные, трубочные и пробочные предохранители. Сила тока, на который рассчитана плавкая вставка, указывается на ее корпусе. Оговаривается также максимально допустимое напряжение, при котором может использоваться предохранитель.

Данная кривая снимается экспериментально: берется партия одинаковых предохранителей, которые последовательно пережигаются при разных токах. Замеряются время, по истечении которого вставка перегорает, и ток, проходящий через вставку. Каждому току соответствует определенное время перегорания вставки. По этим данным и строится временная характеристика.

Наверное, все из нас видели керамические «пробки», которые заворачиваются в щиток электросчётчика. До недавнего времени, а иногда и сейчас они ещё служат в качестве устройств защиты. По личному опыту – неоднократно сталкивался с такой схемой включения – в щитке две пробки, одна стоит в фазном проводе, вторая – в нулевом. Но какая схема включения категорически неправильна! Ни в коем случае нельзя включать предохранитель в нулевой провод. Ведь что происходит, если именно он выйдет из строя – цепь разоврётся и будет защищена, но потребители всё равно будут под потенциалом сети – фаза-то присутствует. А это уже вопросы электробезопасности.

Несмотря на то, что плавкие предохранители отслужили свой срок и морально устарели в качестве устройств защиты во вводах бытового сектора, на протяжении всего времени существования они достойно выполняли данную функцию. Плавкие предохранители, конечно справляются со своими функциями защиты от превышения потребляемого тока или короткого замыкания. Однако, на сегодняшний день, особенно в бытовом секторе, плавкие вставки становятся раритетом.

Плюс ко всему – это довольно опасные в пожарном плане устройства. Ведь сегодня многие считают себя электриками и при перегорании «пробки» некоторые «специалисты» устанавливают «жучки» из некалиброванной проволоки. Причём, иногда, довольно экзотические. Характерный пример я описывал в предыдущем обзоре. А чем всё это чревато – далеко ходить не нужно – посмотрите хронику ЧП по любому телеканалу. Поэтому вполне закономерно, что на смену плавким вставкам пришли более надёжные устройства – автоматические выключатели.

Общие характеристики

Плавкий предохранитель — это одноразовый компонент, который защищает источник тока от излишней нагрузки, являясь самым слабым звеном в сети. Элементы такого типа используются почти во всех электросетях.

Чтобы понять, как работает плавкий предохранитель, следует изучить его строение и функции.

Этот небольшой прибор состоит из отрезка проволоки, который рассчитан на прохождение тока не выше определенного значения. Если сила тока увеличивается, то специальная плавкая вставка начинает расплавляться или даже испаряется. Таким образом, происходит разрыв в электрической цепи.

Плавкие компоненты — это надежный и дешевый способ защитить свою технику. Конструкция такого защитного элемента включает в себя корпус — базовую деталь, которая обеспечивает подключение предохранителя к электрической цепи. Изготавливается обычно из специальных сортов керамики или стекла. Основа предохранителя — особая плавкая вставка, токопроводящий элемент, который состоит из сплава таких металлов, как цинк, медь, свинец и железо.

Помимо плавкого участка, на корпусе также расположено устройство для управления расплавляющимся элементом, датчик срабатывания, небольшая табличка с указанием модели и типа. Кроме всего прочего, корпус имеет функцию камеры гашения электрической дуги.

Любой предохранительный элемент обладает специальной маркировкой, которая указывает:

1. Степень или интервал защиты. Например, а — защита от короткого замыкания, g — защита от перегрузки.
2. Вид и устройства и основные сферы его применения. Например, G — универсальное устройство, B — для защиты горного оборудования, Tr — для трансформаторов и так далее.

Характеристики плавких предохранителей

Основная характеристика заключается в прямой зависимости времени плавления от силы тока. Поэтому, то время, за которое плавкая вставка предохранителя перегорает, соответствует определенному току. Данный параметр больше известен, как времятоковая характеристика.

Кроме временного показателя существуют и другие характеристики, с помощью которых производится определение типов плавких предохранителей. Среди них, в первую очередь, следует отметить номинальный ток. Это наиболее допустимый ток нагрузки по условиям нагрева корпуса предохранителя в течение продолжительного времени. Выбирая устройство по этому показателю, должна учитываться нагрузка электрической цепи, а также условия работы предохранителя.

В некоторых случаях, номинальный ток может быть выше, чем ток в самой электрической цепи. Например, в пусковых устройствах электродвигателей, чтобы избежать перегорания предохранителя во время пуска. Следует учитывать, номинальный ток предохранителя должен соответствовать номинальному току заменяемого элемента.

В свою очередь, номинальный ток заменяемого элемента представляет собой максимально допустимый ток нагрузки в течение длительного времени, когда этот элемент установлен в держателе или в контактах. Кроме того, существуют номинальные токи основания и патрона предохранителя, которые нужно учитывать при выборе защитного устройства. Кроме того, используется такой показатель, как номинальное напряжение. Данный параметр представляет собой межполюсное напряжение, совпадающее с номинальным междуфазным напряжением защищаемых электрических сетей.

Для того, чтобы плавкие предохранители обеспечивали надежную защиту, значение данной величины должно быть больше или равно напряжению защищаемого объекта. Например, предохранитель с номинальным напряжением 400 вольт может использоваться для защиты цепей на 220 вольт, но ни в коем случае, не наоборот. Таким образом, эта величина характеризует возможность предохранителя своевременно разрывать электрическую цепь и гасить дугу.

Поэтому, при выборе предохранителя в качестве защитного средства, необходимо в обязательном порядке учитывать параметры, которые позволяют обеспечить надежную защиту объекта.