Принцип действия предохранителей. Принцип действия предохранителей Строение плавкого предохранителя

Электроника в автомобиле отвечает за множество систем и подсистем. Освещение, аудиосистемы, охлаждение, да что там, вы даже двигатель не запустите, если отключится электричество. К сожалению, в этой области «плавают» многие водители и не всегда способны справиться с неполадками в электрической цепи, несмотря на то, что часто проблемы связаны лишь со сгоревшим предохранителем. Это защитный механизм, который часто приходит в негодность и дезориентирует водителей. В нижеизложенном материале подробнее обсудим, что собой представляет предохранитель, как он работает и как произвести замену в случае выхода из строя одного из них.

Что такое предохранитель?

Предохранитель - это специальное коммутационное электрическое устройство, задачей которого является отключение защищенной цепи ее размыканием или разрушение (сгорание) заранее предусмотренных токопроводящих частей при прохождении по ним чрезмерно высокого электрического тока. Грубо говоря, предохранитель - это защищающий механизм, самоуничтожающийся в случае угрозы для всей электроники (в автомобиле или электроприборах). Некое самопожертвование, если рассуждать метафорически.

Принцип работы предохранителя

В автомобилях используются плавкие предохранители и подбираются в соответствии с номинальной допустимой нагрузкой. В случае чрезвычайной ситуации, когда напряжение возрастает, плавкая вставка предохранителя разрушается и размыкает электрическую цепь.

Процесс саморазрушения запускается в случае:

Короткого замыкания - возникает в том случае, если была нарушена изоляция токопроводящих частей или неправильного подключения приборов. Проблема перетертых кабелей изоляции в автомобиле вообще одна из самых частых причин
Несовместимости мощностей устройства-потребителя и номинальной силы тока, дозволенная для конкретной электрической цепи. С этой проблемой сталкиваются те, кто решил установить в свою машину дополнительное электрооборудование (освещение, магнитолы и иже с ними). Такие мощные потребители энергии питаются от базовой электропроводки, которая не рассчитана на столь высокую величину тока. Из-за превышения мощности тока провода оплавляются и приводят к короткому замыканию, что и выводит предохранители из строя.

Порог срабатывания предохранителей

Из описанного выше становится ясно, что предохранитель в автомобиле разрушается в случае превышения номинального значения электричества. Плавкая часть предохранителя перегревается и сгорает.

Номинальный ток предохранителя рассчитывается по формуле: Inom=Pmax/U.

Inom - это номинальная величина тока, которая измеряется в Амперах;
Pmax - это максимально возможная нагрузка, которую может обрабатывать тот или иной прибор. Мощность указывается на приборах и измеряется в Ваттах;
U - это уровень напряжения сети. Данный показатель измеряется в Вольтах. Уровень напряжения в сети автомобиля составляет 12 Вольт.

Типы предохранителей

Плавкие предохранители категоризуются по номинальной мощности, а также по размеру самих предохранителей.

По размеру предохранители делятся на:

Микро - самые компактные.
Мини - чуть больше (16 миллиметров).
Норма - обычный размер (19 миллиметров).
Макси - самый крупный (34 миллиметра).

Куда важнее разделение по силе тока. Для удобства они все помечены определенными цветами, но ориентироваться только на цвет не стоит, так как в автомобилях ВАЗ предохранители помечаются цветами, отличными от таковых в иномарках, потому что никаких стандартов в этой области не существует.

Расположение предохранителей

Первое, с чем придется столкнуться автолюбителю при попытке проверить состояние предохранителей или заменить их, - поиск предохранительного блока. Дело в том, что выяснить, где предохранитель расположен, задача нетривиальная. В разных моделях машин блок с предохранителями расположен в разных частях салона или даже под капотом. Иногда количество предохранителей сильно возрастает, и производитель авто ставит по несколько блоков в разных частях машины. Из-за подобного беспорядка предложить универсальную схему или инструкцию для поиска предохранительного блока просто невозможно. Например, в машинах отечественного производства предохранители находятся под капотом (классический вариант расположения для "Жигулей"). В иномарках ситуация сложнее. Предохранители в «Тойоте-Королла» расположены справа от руля на приборной панели. Казалось бы, производители одной страны должны быть схожи в выборе расположения элементов, но на деле все иначе. Предохранители в «Ниссан-Альмера» расположены слева от руля, в небольшом кармане.

Проверка предохранителей

Рабочий предохранитель - это в первую очередь безопасность. Поэтому необходимо поддерживать их в рабочем состоянии. Если какой-то элемент электроники в автомобиле вышел из строя, необходимо проверить работоспособность детали. Каким образом это сделать? Многие водители просто получают доступ к предохранительному блоку и поочередно вынимают предохранители для визуальной оценки их состоянии. Владельцы автомобилей просто смотрят, не повреждена ли перемычка в предохранителе. Безусловно, такой способ работает, но он типичен для дилетантов, да и к тому же, не всегда надежен, ведь перемычка может остаться целой даже в том случае, если предохранитель сгорел. Для проверки состояния деталей лучше включить ту цепь, что перестала функционировать (это может быть любая электроника, будь то фары, печка или стереосистема), а затем с помощью мультиметра проверить уровень напряжения в предохранителе, отвечающем за эту цепь. Такая проверка займет гораздо меньше времени и даст точный результат.

Замена предохранителей

Если предохранитель вышел из строя, то его необходимо сразу же заменить. Для начала находим блок предохранителей (если блок расположен под капотом, то заранее следует отключить аккумулятор). Снимаем болты с крышки предохранительного блока. Гаечным ключом на 10 выкручиваем гайку, что удерживает хомут с проводами. Это делается для того, чтобы их сдвинуть (они закрывают доступ к предохранителям). Также для большего комфорта можно демонтировать панель с предохранителями, но это необязательно. Затем просто снимаем нерабочий предохранитель и ставим на его место новый (естественно, подходящий по размеру и по номиналу).

Выбор и проверка предохранителя

Выбирая, какой предохранитель нужно именно вам, необходимо иметь в виду ряд условий. Выбирая новую деталь, необходимо обращаться только к проверенным производителям, отвечающим за качество своей продукции. Желательно посоветоваться с другими автолюбителями, располагающими идентичным авто и нагрузкой на электрическую цепь. Это очень важно, так как большая часть предохранителей изготавливаются в Китае, где этот процесс никто не контролирует. Из-за некачественной продукции можно не только уничтожить электронику, но и весь автомобиль. Бывали случаи, когда сгорал блок с предохранителями, а сами предохранители оставались целыми.

Чтобы проверить качество детали, необходимо спровоцировать короткое замыкание вне автомобиля, и если предохранитель сгорит, значит, он качественный и можно брать всю партию, чтобы заменить испорченные в вашем авто.

Для создания искусственного короткого замыкания нужно примотать к концам предохранителя по проводу, а затем один из них подключить к плюсу, а второй к минусу и пустить по ним электрический ток с напряжением выше номинального.

Установка дополнительного оборудования

Если вы планируете установить в автомобиль дополнительное оборудование, необходимо выяснить, выдержит ли штатная проводка вашей машины такую нагрузку. Если же нет, то для нового оборудования нужно будет провести отдельную проводку, а номинальный ток предохранителя для него должен быть в полтора раза выше, чем номинальный ток в цепи. Для расчета нагрузки можно воспользоваться законом Ома и специальными таблицами.

Предохранитель - коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную.) Эта операция производится вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.

Рис. 5-1. Времятоковая характеристика предохранителей серии ПН-2

Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили очень широкое их применение. Предохранители низкого напряжения изготовляются на токи от миллиампер до тысяч ампер и на напряжение до 660 В, а предохранители высокого напряжения - до 35 кВ и выше.

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.

Важнейшей характеристикой предохранителя является зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока времятоковая характеристика (рис. 5-1).

Предохранитель работает в двух резко отличных режимах: в нормальных условиях ив условиях перегрузок и коротких замыканий. В первом случае нагрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры и 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 1ном.. Он может быть отличным от номинального тока самого предохранителя.

Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя , указанный на нем, равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

Защитные свойства предохранителя при перегрузках нормируются. Для предохранителей обычного быстродействия задаются условный ток неплавления - ток, при протекании которого в течение определенного времени плавкая вставка не должна перегореть, и условный ток плавления - ток, при протекании которого в течение скрепленного 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 Iном в течение одного часа, а при токе 1,6Iном должны перегореть за время до одного часа.

При токах, превышающих условный ток плавления, предохранитель должен сработать в соответствии с времятоковой характеристикой. С ростом тока степень ускорения перегорания плавкой вставки должна возрастать намного быстрее тока Для получения такой характеристики придают вставке специальную форму или используют металлургический эффект.

Вставку выполняют в виде пластинки с вырезами (рис. 5-2, а), уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженных участках выделяется больше теплоты, чем на широких. При номинальном токе избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распространиться к более широким частям, и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках (I≈I∞max) нагрев суженных участков идет быстрее; так как только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рис. 5-2,б). При коротком замыкании (I>>I∞) нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом теплоты от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или в нескольких суженных местах (рис. 5-2, в).

Рис. 5-2. Распределение температур (а) и места перегорания фигурных плавких вставок при перегрузках (б) и при коротких замыканиях (в).

Во многих конструкциях плавкой вставке 1 придается такая форма (рис 5-3 а) при которой электродинамические силы F, возникающие при токах короткого замыкания, разрывают вставку еще до того, как она успевает расплавиться На рисунке место разрыва обозначено кружком. Этот участок выполняется меньшего сечения. При токах перегрузки электродинамические силы малы и плавкая вставка плавится в суженном месте. В конструкции, показанной на рис. 5-3,б ускорение отключения цепи при перегрузках и коротких замыканиях достигается за счет пружины 2, разрывающей вставку; при размягчении-металле на суженных участках до того, как происходит плавление этих участков.

Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Полученный таким образом раствор обладает иными характеристиками, чем исходные материалы (например большим электрическим сопротивлением и пониженной температурой плавления) Указанное явление используется в предохранителях с вставками из ряда параллельных проволок.

Рис. 5-3. Примеры форм плавких вставок с ускоренным их разрывом.

Для ускорения плавления вставки при перегрузках и снижения общей температуры всей вставки при ее плавлении на проволоки напаиваются небольшие оловянные щарики. При токах перегрузки, когда температура вставки достигает температуры плавления олова, шарик, расплавляется и растворяет, часть металла, на котором он напаян. Происходит местное увеличение сопротивления вставки и снижение температуры плавления-металла, в этом месте. Вставка перегорает в том месте, где был наплавлен шарик. При этом температура всей вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена. В номинальном режиме шарик практически не влияет на температуру нагрева вставки.

Этот способ получения требуемой времятоковой характеристики может применяться при тонких вставках, например при диаметре шарика 1 мм для проволок диаметром 0,3 мм и диаметре шарика до 2 мм при более толстых проволоках. При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается и практически не сказывается.

Рассмотренные способы ускорения перегорания вставки при токах перегрузки и коротких замыканиях обусловливают одно весьма существенное достоинство плавких предохранителей - их токоограничивающее действие. Плавкая вставка перегорает много раньше, чем ток в цепи при коротком замыкании успевает достигнуть установившегося значения iуст. Таким образом, ток короткого замыкания ограничивается в 2-5 раз и тем самым снижается разрушительное действие электродинамических сил. Если при возможном установившемся токе короткого замыкания 25 кА плавкая вставка перегорела при 8 кА, то значение электродинамических сил в цепи ограничено более чем в 9 раз. Токоограничивающее действие плавких вставок с использованием металлургического эффекта ниже, чем при других способах токоограничения.

Гашение электрической дуги, возникающей после перегорания плавкой вставки, должно быть осуществлено в возможно короткое время. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя и принятого способа гашения. Наибольший ток, который плавкий предохранитель может отключить без каких-либо повреждений или деформаций, препятствующих его дальнейшей исправной работе после смены плавкой вставки, называют предельным током отключения предохранителя.

В современных предохранителях с закрытыми патронами без наполнителя дуга гасится за счет высокого давления, возникающего в патроне вследствие появления дуги, а при наличии наполнителя - за счет интенсивного охлаждения дуги наполнителем и высокого давления, вызываемого дугой в узких каналах наполнителя. При этом гашение дуги происходит в ограниченном объеме патрона предохранителя. За пределы патрона не выбрасываются ни пламя дуги, ни ионизированные газы.

Достаточно совершенная система дугогашения совместно с токоограничивающим действием вставки обусловливают неограниченную отключающую способность плавких предохранителей. Это не значит, что предохранители могут отключать сколь угодно большие токи короткого замыкания. Неограниченную отключающую способность следует понимать так: плавкие предохранители могут применяться для защиты цепей, в которых установившийся ток короткого замыкания мог бы достигнуть очень больших значений (в современных крупных энергоустановках можно предполагать 200-500 кА). Плавкие вставки изготовляют из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди, серебра и др. Вставки из легкоплавких металлов (свинец, цинк - температура плавления 200-420 °С) позволяют получить невысокую температуру всего предохранителя, однако они обладают невысокой проводимостью и получаются значительных сечений, особенно при больших номинальных токах. Широко распространены цинковые вставки. Пары цинка имеют относительно высокий потенциал ионизации, что способствует гашению дуги. Вставки из меди и серебра получаются меньшего сечения, но недостатком их является высокая температура плавления, что приводит при токах перегрузки к сильному нагреву и быстрому разрушению деталей предохранителя. Медные плавкие вставки должны обязательно иметь антикоррозионное покрытие. В противном случае окисление приведет к постепенному уменьшению сечения вставки и несвоевременному перегоранию.

Применение параллельных плавких вставок (при больших токах) позволяет при том же суммарном поперечном сечении их получить большую поверхность охлаждения, тем самым улучшить условия охлаждения вставок и лучше использовать объем наполнителя (в предохранителях с наполнителем).

Предохранители и автоматические выключатели являются аппаратами защиты, автоматически отключающими защищаемую электрическую цепь при ненормальных режимах.

Предохранители применяют для защиты электроприемников, проводов и кабелей от . Они также могут защищать от значительной перегрузки, если все элементы защищаемой сети будут иметь пропускную способность не менее чем на 25 % выше тока плавкой вставки. Поскольку предохранители выдерживают токи на 30…50 % выше номинальных токов плавких вставок в течение одного часа и более, то при токах, превышающих номинальный плавких вставок на 60 — 100 %. они плавятся за время, меньшее одного часа.

Конструктивно предохранитель представляет собой патрон, в котором крепится плавкая вставка, являющаяся искусственно ослабленным звеном в электрической сети.

В большинстве предохранителей перегоревшие плавкие вставки заменяются на новые.

Классификация предохранителей

Плавкие предохранители разделяют на:

инерционные - с большой тепловой инерцией, т.е. способностью выдерживать значительные кратковременные перегрузки током. Это предохранители с винтовой резьбой и свинцовым токопроводящим мостиком;
безынерционные - с малой тепловой инерцией, т.е. с ограниченной способностью к перегрузкам. Это предохранители с медным токопроводящим мостиком, а также предохранители со штампованными вставками.

Наибольшее распространение в электрических сетях до 1 кВ имеют предохранители НГГН2-63, ПН2, ПР2.

Предохранители НПН2 (неразборные с наполнителем) снабжены стеклянным неразборным патроном, заполненным сухим кварцевым песком, и вставкой из медной проволоки с оловянным шариком. Такие предохранители не подлежат перезарядке и после срабатывания должны заменяться новыми.
Предохранители ПН2 (разборные с наполнителем) состоят из фарфорового корпуса, заполненного мелкозернистым кварцевым песком, в котором расположены одна или несколько медных пластинчатых плавких вставок. При срабатывании предохранителя электрическая дуга разветвляется между зернами кварцевого песка и интенсивно охлаждается вследствие отдачи тепла наполнителю.
Предохранители ПР2 (разборные без наполнителя) состоят из фибровой трубки, в которой расположена плавкая вставка специальной формы цинкового сплава. При перегорании плавкой вставки фибровая трубка выделяет газы, давление в трубке значительно увеличивается и дуга деионизируется.

Предохранители типа ПР2 используются в основном в станках, коммутационных ящиках. В распределительных устройствах (панелях, силовых шкафах) применяются предохранители НПН2 и ПН2, в распределительных шинопроводах - ПН2.

В осветительных сетях могут применяться предохранители с резьбой (пробочные), например типа ПД, ПРС.

Интересное видео о работе предохранителей смотрите ниже:

Характеристики предохранителей

Предохранитель характеризуется:

номинальным напряжением, при котором предохранитель работает длительное время;
номинальным током патрона, на который рассчитаны его токоведущие части и контактные соединения по условию длительного нагрева;
номинальным током плавкой вставки, который она выдерживает, не расплавляясь длительное время;
разрывной способностью (предельным отключаемым током), определяемой максимальным отключаемым током, при котором происходит перегорание плавкой вставки без опасного выброса пламени или продуктов горения дуги и без разрушения патрона;
защитной время-токовой характеристикой, зависимостью времени полного отключения цепи от величины отключаемого тока.

Основные технические данные наиболее распространенных предохранителей приведены в таблице ниже:

Защитные характеристики плавких вставок предохранителей типа ПН2 на различные номинальные токи показаны на рис. 2.4.

Ещё одно интересное видео о предохранителях:

Плавкие предохранители наряду с простотой их устройства и малой стоимостью имеют ряд существенных недостатков :

невозможность защиты цепи от перегрузок;
разброс защитных характеристик, вызываемый увеличением контактных сопротивлений в результате ослабления контактов и старения материала вставки в условиях эксплуатации;
при коротком замыкании в трехфазной линии возможно перегорание одного из трех предохранителей. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, подключенные к линии, оказываются включенными на две фазы, а это может привести к их перегрузке и выходу из строя.

Рис 2.4 Защитные характеристики плавких предохранителей ПН2

Назначение автоматических выключателей

Защитные характеристики автоматов

Автоматические выключатели могут иметь следующие защитные характеристики (рис. 2.6):

зависимую от тока характеристику — времени срабатывания . Такие выключатели имеют только тепловой расцепитель. Применяются редко вследствие недостаточных предельно- коммутационной способности и быстродействия;
независимую от тока характеристику времени срабатывания . Такие выключатели имеют только токовую отсечку, выполненную с помощью электромагнитного или электронного расцепителя, действующего без выдержки или с выдержкой времени;
ограниченно зависимую от тока двухступенчатую характеристику времени срабатывания . В зоне токов перегрузки выключатель отключается с зависимой от тока выдержкой времени, в зоне токов - токовой отсечкой с независимой от тока, заранее установленной выдержкой времени (для селективных выключателей) или без выдержки времени (для неселективных выключателей). Выключатель имеет либо тепловой и электромагнитный (комбинированный) расцепитель, либо электронный расцепитель:
трехступенчатую защитную характеристику . В зоне токов перегрузки выключатель отключается с зависимой от тока выдержкой времени, в зоне токов - с независимой, заранее установленной выдержкой времени (зона селективной отсечки), а при близких - без выдержки времени (зона мгновенного срабатывания).

Зона мгновенного срабатывания предназначена для уменьшения длительности воздействия токов при близких КЗ. Такие выключатели имеют электронный расцепитель и применяются для защиты ввода в КТП и отходящих линий.

Основные технические данные некоторых серий автоматов приведены в табл. П11.

а) Назначение предохранителя. Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили их очень широкое применение. Предохранители НН изготовляются на токи от мА до тысяч А и на напряжение до 660 В, а предохранители ВН - до 35 кВ и выше.

Предохранители - это ЭА, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ.

Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.

В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную или автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.

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.

б) Принцип работы предохранителя, физические явления в электрическом аппарате. Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определённое значение.

В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путём расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током

защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.

При токах > I плавления предохранитель должен срабатывать в соответствии с времятоковой характеристикой. Сростом тока степень ускорения перегорания плавкой вставки должна возрастать намного быстрее тока. Для получения такой характеристики придают вставке определенную форму или используют металлургический эффект.

Вставку выполняют в виде пластинки с вырезами (рис. 6.1,а ), уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженых участках

Рис.6.1 – Распределение температур (а ) и места перегорания фигурных плавких вставок при перегрузках (б ) и при КЗ (в )

выделяется больше теплоты, чем на широких. При I ном избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распределятся к более широким частям и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках (I ) нагрев суженных участков идет быстрее, т.к. только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рис 6.1,б ). При КЗ (I » ) нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом теплоты от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или нескольких суженых местах (рис 6.1,в ).

Во многих конструкциях вставке 1 придается такая форма (рис 6.2,а) , при которой электродинамические силы F, возникающие при токах КЗ, разрывают вставку еще до того, как она успевает расплавиться. На рис. 6.2,а место разрыва обозначено кружком. Этот участок выполняется меньшего сечения.

Рис. 6.2. Примеры форм плавких вставок с ускоренным их разрывом

При токах перегрузки электродинамические силы малы и плавкая вставка плавится.в суженом месте. В конструкции на рис. 6.2,б ускорение отключения цепи при перегрузках и КЗ достигается за счет пружины 2, разрывающей вставку 1 при размягчении металла на суженных участках, до того, как происходит плавление этих участков.

Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять другие тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Это явление используется в предохранителях с вставками из ряда параллельных проволок.

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

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 k 0 = 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 к д = 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.

Одним из важных компонентов токопроводящей системы, выполняющий защитную функцию является предохранитель. Данные устройства выполняются в различных конфигурациях и имеют множество моделей. Данная статья расскажет о плавком предохранителе. Каждый блок имеет свои токоведущие элементы, поэтому токопроводящий элемент принимает важное участие в стабильной работе электрических цепей. Необходимо отметить, что понятия плавкий предохранитель и плавкая вставка имеют несколько различные определения. Данная статья поможет понять это отличие.

Принцип действия

Базовая особенность предохранителя состоит в том, что его сгорание в электрической цепи происходит гораздо раньше, нежели других элементов. В случае скачка тока электрической цепи, предохранитель гораздо легче и быстрее заменить, нежели менять токоведущие провода, микросхемы и т.п.

Название плавкий данный элемент получил, поскольку основным элементом его конструкции является плавкая вставка. Этот компонент имеет низкую величину температуры плавления, по закону Джоуля-Ленца при прохождении тока через проводник в нем выделяется тепловая энергия, и предохранитель при высокой величине тока, являющейся опасной для остальных компонентов, сгорает. Это приводит к размыканию электрической цепи. Таким образом, предохранитель защищает от повреждения остальные элементы электрической схемы.

Режимы работы плавкого предохранителя:

Короткое замыкание:
- Сгорание плавкой вставки предохранителя происходит за максимально короткое время;
Перегрузки:
- Сгорание плавкой вставки происходит за определенное время, которое зависит от величины тока в этом режиме. Чем больше ток перегрузки, тем быстрее сгорает предохранитель.
Нормальны режим. Нагревание устройства, является установившимся процессом, в котором:
- Происходит полный нагрев до конкретной температуры и отдача количества выделенной теплоты;
- Каждый предохранитель имеет обозначение с номинальным значением тока;
- Необходим выбор плавящегося элемента с определенным током номинального режима.

При выборе необходимого предохранителя, нужно руководствоваться не только показанием величины тока, указанной на корпусе. Но также допустимое рабочее напряжение и времятоковую характеристику.

Времятоковая характеристика необходима для показания величины изменения времени полного разрыва цепи при подаче тока определенного значения.

Конструкция

Основным элементом, входящим в состав предохранителя является – плавкая вставка. Данные вставки имеют множество конфигураций, но тем не менее имеют два базовых элемента:

Плавкий элемент – выполнен из сплава различных металлов либо выполняется со специально подобранными сплавами металла.

Плавкие вставки выполняются из различных материалов:

цинк;
свинец;
медь;
олово;
серебро.

Корпус – блок, содержащий комплекс крепежных элементов, позволяющих подключение коммутационного элемента к электрической цепи.

Корпуса выполняются из разновидностей прочной керамики такие как:

фарфор;
корундо-муллитовая керамика;
стеатит.

При использовании электропредохранителей с малым током номинального режима корпус выполняется из специальных стекол.

К основным параметрам, характеризующие плавкие предохранители относятся:

номинальное напряжение;
номинальный ток;
максимальная мощность;
скорость срабатывания.

Все эти факторы необходимо учитывать при расчете плавкой вставки.

Расчет плавких значений номинального тока производится согласно формулы 1:

Из формулы, для расчета, необходимо знать U – напряжение, Pmax – максимальная нагрузочная мощность.

Виды предохранителей

Основным и наиболее важным этапом является выбор плавких вставок предохранителей. Это необходимо, учитывая различные условия в которых применяются следующие разновидности электропредохранителей:

Электропредохранители вилочные. Данный тип токопроводящих устройств зачастую работает в цепи постоянного тока. Конструкция выполнена в виде расположения электроконтактов с одной стороны, а плавкой части с обратной.

Вилочные предохранительные элементы подразделяются на:

вилочные обычные;
вилочные миниатюрных размеров.

Электропредохранители пробковые. Один из самых часто встречающихся видов. В основе конструкции лежит корпус, изготовленный из фарфора. Во внутренней части корпуса располагается тонкая проволока, которая сгорает в случае аварийного режима. В блок корпуса входит грузик, определяющий состояние предохранительного компонента. Каждый грузик имеет определённый цвет, соответствующий необходимой силе тока. В случае его свисания на участке проволоки, требуется его замена.

Разновидности конфигураций и назначение:

DIAZED – применим в системе, элементы которой выполнены для самых различных требований методов установки.
NEOZED – такой тип позволяет безопасно произвести замену плавких элементов при обесточенном состоянии.

Номинальный ток плавкой вставки выбирается исходя из максимальной мощности сети.

Величины токов согласно цвета чеки

Электропредохранители ножевые. Данная разновидность применяется на линиях электроустановок, с рабочей величиной тока порядка 1200 – 1300 А. В свою очередь являются очень опасными для здоровья человека. Использование таких разновидностей компонента токопроводящей системе ведет к очень жесткому выполнению всех требований техники безопасности. На таких объектах работают только персонал, имеющий соответствующую квалификацию.

Ножевой электрический предохранитель по значению тока делится:

000 (˂ 100 А);
00 (˂ 160 А);
0 (˂ 250 А);
1 (˂ 355 А);
2 (˂ 500 А);
3 (˂ 800 А);
4а (˂ 1250 А).

Вставки слаботочные. Основное их назначение это - защита маломощных электрических цепей. Конструкция имеет стеклянный корпус, выполненный в виде цилиндра с металлическими элементами, соединенными токопроводящей проволокой. При коротком замыкании происходит сгорание проволоки, которая в свою очередь размыкает цепь и сохраняет неповрежденными остальные элементы схемы.

Такие корпуса выполняются с различными габаритными размерами (в мм):

3 х 15;
5 х 20;
7 х 15;
10 х 38.

Подведя итог рассмотрения плавких предохранителей, стоит отметить что предохранители должны применяться во многих электрических устройствах во избежание повреждения их элементов. Кроме вышесказанного имеет смысл обратить внимание на их достоинства и недостатки.

Достоинства:

невысокая стоимость;
в случае высокого скачка тока, электропредохранитель полностью размыкает электрическую цепь.
в случае выхода из строя предохранителя, имеется возможность простой замены токопроводящего элемента.

Недостатки:

использование предохранителя лишь один раз, потом выполняется его замена;
замена токопроводящего элемента на электропредохранитель большего номинала;
при использовании трехфазных электродвигателей, рекомендуется использовать реле фаз, во избежание сгорания одного из предохранителей.

В последнее время многие производители применяют для разработки современные стандарты качества, для того чтобы блок каждого токопроводящего элемента мог достойно конкурировать с европейскими и мировыми аналогами.

Таким образом, защита электрических цепей с помощью различных предохранителей является одним из самых простых, надежных и дешевых способов.