Плавкий предохранитель

Отредактировано 15.07.2023

Плавкий предохранитель - устройство в основе имеющее одноразовую плавкую вставку, которое защищает от короткого замыкания и, иногда, от перегрузки электронику и электросети.
Предохранитель подключается последовательно в цепь электрического тока (т.е. он её разрывает при срабатывании).

Плавкий предохранитель работает по такой схеме:

1. При недостаточном значении тока проволока или пластина успевает равномерно распределить тепло. Это позволяет сохранить целостность.
2. Чрезмерная сила тока очень быстро нагревает проводник. Повышение температуры этого элемента устройства способствует возрастанию сопротивления.
3. Большее сопротивление приводит к ещё большему нагреву. При достижении температурного порога проводник разрушается и цепь обрывается.
4. После срабатывания, для дальнейшей работы, в предохранителе необходимо установить новую плавкую вставку.

Плюсы плавких предохранителей:

• Быстродействие. Предохранители обеспечивают наибольшую скорость срабатывания. Поэтому предохранителя используются в качестве защиты промышленного полупроводникового оборудования (частотных преобразователей, тиристорных регуляторов и т.п.).
• Простота конструкции. Из-за более простой конструкции чем у автомата, почти исключена возможность т. н. "поломки механизма".
• Не высокая стоимость (по сравнению с автоматическим выключателем).
• Безотказность. Грамотно выбранный предохранитель в качественном аппарате защиты обеспечивает гарантированное срабатывание и отключение поврежденного элемента. Системы защиты цепи построенные на автоматических выключателях (без использования систем цифровых защит) не могут обеспечить соответствующий уровень защиты.
• После замены плавкой вставки предохранителя в цепи получается защита с характеристиками, заявленными производителем в отличие от случая с использования автоматического выключателя с подгорающими контактами.
• Легко подобрать предохранитель на любой ток

Минусы плавких предохранителей:

• Одноразовость. В случае срабатывания требуется замена. Существуют самовосстанавливающиеся предохранители, однако стоимость и применимость ограничена.
• При использовании однополюсного предохранителя возможен перекос фаз в трёхфазных цепях при срабатывании одного из предохранителей, что вызывает поломку или отказ в работе электрических приборов.
• Избыточное быстродействие в некоторых случаях. В случае, когда время срабатывания предохранителя менее 1-7 миллисекунд, при отключении мощной реактивной индуктивной нагрузки (трансформаторы, двигатели и т.п.) может возникнуть перенапряжение.
• Чрезмерное влияние фактора окружающей среды. Плавкая вставка сильно зависит от температуры среды работы аппарата защиты. Окружающая среда (температура, давление и т.п) изменяют время-токовую характеристику срабатывания.
• Нестабильность защитной характеристики из-за старения плавкой вставки. Время срабатывания предохранителя может отличаться от приводимого в справочной литературе на ± 50%.
• Вероятность возникновения стабильного горения дуги. Плавкие вставки без наполнителя не всегда обеспечивают гарантированное гашение дуги, возникшей при выгорании проводника плавкой вставки.
• Конструкция даёт возможность шунтирования (использования "жучков") что может привести к пожару... правда никто не мешает такое сделать и на автоматическом выключателе.
• Возможны повреждения вышестоящих защитных предохранителей. В случае, когда система защищена предохранителями разного номинала на различных уровнях, при возникновении аварии (короткого замыкания) и срабатывании предохранителя нижнего уровня, повреждения (оплавления) получает и вышестоящая плавкая вставка. В данной ситуации требуется замена всего каскада плавких вставок.
• Сложность отстройки селективной защиты. Вследствие неповторимого быстродействия плавких вставок, необходим грамотный выбор предохранителей для обеспечения требуемого уровня селективности. Необходимо исключить возможность одновременного срабатывания аппаратов защиты разных уровней системы.

Устройство плавкого предохранителя

Существует большое количество вариантов предохранителей, но все они состоят из двух элементов:

• плавкой вставки, которая состоит
• корпуса
• контактов
• плавкого элемента
• колодки (держателя)

Корпус плавкого предохранителя

Корпус плавкого предохранителя предназначен для соединения контактов и плавкого элемента. Также  корпус выполняет задачу по гашению электрической дуги, которая появляется во время срабатывания предохранителя.

Сам корпус может быть наполненным каким-либо веществом, способным погасить электрическую дугу. Как правило это кварцевый песок.

Корпус может быть и не наполненным. В нём во время нагрева корпуса происходит выделение газов, благодаря которым получившаяся дуга гасится.

Керамический корпус
плавкой вставки

Корпуса плавких вставок обычно изготавливаются из высокопрочных сортов специальной керамики (фарфор, стеатит или корундо-муллитовая керамика). Для корпусов плавких вставок с малыми номинальными токами используются специальные стекла.

Корпус обычно выполняет роль базовой детали, на которой укреплен плавкий элемент с своими контактами, указателем срабатывания, свободными контактами, устройства для оперирования плавкой вставкой и табличка с номинальными данными. Одновременно корпус выполняет функции камеры гашения электрической дуги.

Контакты плавкого предохранителя

Некоторые виды плавких предохранителей

Контакты необходимы для подсоединения предохранителя к колодке и фиксации плавкого элемента.

• Вилочные предохранителя применяются, в первую очередь, в автомобилях. Различаются между собой количеством и различным видом вилок, размерами и формой корпуса (Мини - H=16 мм, Стандарт - Н=19 мм, Макси - Н= 34 мм). В зависимости от номинальной величины тока имеют различную цветовую маркировку корпуса. Являются неразборными.
• Пробковые. Могут использоваться как в промышленном оборудовании, так и в жилом секторе. Бывают до 63 А.
  В качестве основания для таких предохранителей используются либо резьбовые цоколи типа, либо разъединители с выдвижным лотком.
• Ножевые. Применяются в силовых цепях электроустановок до 1000 В. Бывают до 1250 А. Корпус ножевых предохранителей заполняется специальным наполнителем для гашения электрической дуги, в качестве которого обычно используется кварцевый песок.
  Корпус имеет в основном прямоугольную форму, но может быть и трубчатый, а контактами в этом случая являются две пластины с припаянной.
  В зависимости от исполнения, могут дополнительно иметь визуальный индикатор срабатывания и механизм дистанционной сигнализации срабатывания.
• Слаботочные. Применяются  для защиты электроники и приборов. Форма трубчатая, корпус может быть сделан керамическим или из стекла. Контакты сделаны из оцинкованной стали.
• Кварцевые применяются в высоковольтных сетях до 36 кВ.
• Газогенерирующие. Применяются в высоковольтных сетях

Плавкий элемент плавкого предохранителя

Плавкий элемент - это материал, проводящий электрический ток. Этот проводник имеет определённое электрическое сопротивление, из-за чего происходит выделение тепла во время прохождения по нему тока. Если значение ниже предусмотренного характеристиками, то температуры будет недостаточно для того, чтобы элемент расплавилась.

Когда значение превышает номинальный порог срабатывания, плавкий элемент расплавляется, что ведёт за собой разрыв цепи. Скорость этого процесса обусловливается силой тока, проходящего через проводник.

Плавкий элемент выполняют из проволоки (в предохранителях с малым током) или из пластин (в предохранителях с большим током).

Предохранитель не наполненный с разными плавкими элементами

Пластины для плавких вставок
предохранителей с вырезами

Плавкий элемент в виде пластины может иметь вырезы, которые уменьшают площадь сечения вставки. При этом в номинальном режиме избыточная теплота из зауженных мест, благодаря теплопроводности, успевает распространиться на широкие части и вся вставка имеет практически одинаковую температуру.

При перегрузках теплота не успевает полностью перераспределиться по всему объёму плавкого элемента и происходит её плавление в самом горячем месте.

При коротком замыкании процесс идёт настолько интенсивно, что перераспределения теплоты практически не происходит и вставка перегорает в нескольких суженных местах.

Для более быстрого срабатывания предохранителя (в быстродействующих предохранителях) используют специальные конструкции (придают плавкой вставке специальную форму), в которых отключение цепи в предохранителе при больших токах происходит не посредством плавления вставки, а её разрывом электродинамическими силами (иногда для ускорения срабатывания плавкая вставка дополнительно нагружается усилием натянутой пружины).

Также пружина используется в высоковольтных предохранителях, т.к. при образовавшийся при срабатывании предохранителя промежуток может пробиваться искрой и напряжение может также продолжать протекать. И эта пружина "растаскивает" перегоревшие концы плавкой вставки, чтобы точно был зазор.

Предохранитель с пружиной

Для ускорения плавления вставки также применяют явление металлургического эффекта (в англоязычной литературе просто M-effect, вроде как из-за того что его обнаружил в 1930е проф. A.W.Metcalf), данное решение применяют обычно в предохранителях со вставками из ряда параллельных проволок. Для этого на медную проволочку наносится капля олова. При перегрузке олово плавится и начинает усиленно растворять медь. В результате проволока быстро утончается, и ее малое сечение сразу перегорает.

Предохранитель с оловом на плавкой вставке

Для задержки плавления вставки (например, для электродвигателя, у которого пусковой ток которого выше номинального в разы) используются специальные предохранителя.

Например, удлинили плавкую вставку сделав её очень длинной, а чтобы сам предохранитель не вырос до размеров трости, намотали ее на нить из стекловолокна. Такая проволока из-за своей большой длины нагревается медленнее и даст время току снизиться до номинального.

Или в колбу помещают низкоомный резистор соответствующих номинала и мощности, и уже к нему припаивают заведомо толстую проволочку обычным припоем. При перегрузке резистор нагревается, припой плавится и контакт разрывается. Время задержки таких предохранителей больше, чем в конструкции со спиралью.

Предохранитель с намотанной по спирали плавкой вставкой

Предохранитель с низкоомным резистором

В некоторых конструкциях предохранителей используются вставки с переменным сечением проволок: разное время перегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при срабатывании предохранителя.

Также вас может заинтересовать статья Выбор диаметра провода для плавкой вставки предохранителя

Колодка (держатель) плавкого предохранителя

Колодка является основанием для установки плавкой вставки.  Сама колодка подключается к электроустановке или электросети.

Чем больше площадь контакта на колодке и на плавкой вставке, тем меньше вероятность, что произойдёт нагрев на соединении. Зачастую они выполнены из меди или латуни со специальным анодированным покрытием.

Полупроводниковые предохранители

Никакое устройство, работающее по механическому принципу, не может вовремя отключить подачу электричества в полупроводниковом оборудовании. Поэтому в качестве предохранителя в современной технике довольно часто применяются диоды и транзисторы. Такие элементы можно перегружать только несколько десятков миллисекунд, после чего элемент выходит из строя и отключает подачу напряжения.

Полупроводниковые предохранители предназначены для того, чтобы минимизировать пагубное воздействие перегрузок на электронику в инверторах, преобразователях, а также различных устройствах с плавным пуском.

Такие предохранители перегреваются значительно быстрее, чем плавкие металлы. Но у них есть и недостаток. Во время срабатывания такая защита не может гарантировать разъединение цепи. Подача электричества на устройство прекращается, но не до конца. Поэтому необходимо в комплексе применять ещё и автоматический выключатель. Он монтируется перед полупроводниковым предохранителем.

Виды плавких предохранителей по характеристикам

Все предохранители имеют определённую время-токовую характеристику, показывающую время, прошедшее до момента срабатывания плавкого предохранителя со времени начала его работы. И можно отметить некоторые важные режимы его работы.

Так, можно выделить минимальный ток срабатывания, если протекающий ток ниже этого значения или равен ему, то плавкая вставка продержится сколько угодно долгое время без срабатывания. В этом режиме все плавкие предохранители ведут себя абсолютно одинаково.

Но как только протекающий через него ток начинает превышать значение минимального тока срабатывания, плавкая вставка в предохранителе начнёт плавиться. И, в зависимости от конструктивных особенностей разных видов плавких вставок, процесс может протекать по-разному. Одни быстро расплавляются даже при слабо превышающем значении тока (быстродействующие), другие (как, например, используемые в цепях защиты электродвигателей) в состоянии выдерживать ток, значительно превышающий номинальный в течение довольно-таки продолжительного времени, достаточного, чтобы электрическая цепь вышла на свой рабочий режим, при котором ток упадёт до номинального для предохранителя значения (в электродвигателях, например, это момент его запуска, когда проходящий в обмотки ток многократно превышает ток, при котором двигатель уже работает, набрав рабочие обороты). Именно этот, второй режим работы в основном и определяет предназначение плавкого предохранителя и делит их на разные типы. И именно время-токовая характеристика на этом участке, её форма и значения определяются конструкцией изготовления плавкой вставки и дугогасительной системы.

И третий режим работы предохранителя - это работа в режиме короткого замыкания. Здесь почти все предохранители ведут себя похоже. При токе короткого замыкания его значение в цепи нарастает чрезвычайно быстро и принимает значения, многократно (а то и на порядки) превышающие номинальные для данной цепи. От предохранителя при работе в этом режиме требуется только одно - максимально быстро разорвать цепь, не допустив теплового или механического повреждения элементов этой цепи большими значениями тока.

Эта характеристика указывается (но не всегда и не на всех моделях) в буквенном коде перед значением номинального тока в маркировке:

• 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 - для защиты кабелей и распределительных устройств
• B - для защиты горного оборудования
• F - для защиты маломощных цепей
• M - для защиты цепей электродвигателей и отключающих устройств
• R - для защиты полупроводников
• S - быстрое сгорание при коротком замыкании и среднее время сгорания при перегрузке
• Tr - для защиты трансформаторов

Следует различать номинальный ток предохранителя и номинальный ток плавкой вставки.

Номинальным током плавкой вставки (I_вс.ном) называют такой ток, при котором она может длительно работать, на расплавляясь.

Номинальным током предохранителя (I_пр.ном) называют такой ток, при котором все его элементы не нагреваются выше длительно допустимой температуры.

Обычно в одном корпусе (патроне) предохранителя с целью сокращения номенклатуры изделий могут устанавливаться плавкие вставки с различными I_вс.ном. Так, в корпусе предохранителя ПН-2-250 могут устанавливаться вставки с I_вс.ном равный 80; 100; 125; 160; 200; 250 А. Номинальный ток предохранителя равен номинальному току вставки с наибольшим значением I_вс.ном, т. е. 250 А.

Номинальное напряжение предохранителя тоже надо учитывать. Оно должно соответствовать рабочему напряжению сети, при этом действительное напряжение в сети не должно превышать номинального напряжения предохранителя больше чем на 10%.

Полезное видео