Роль предохранителя в цепи

Основные сведения о предохранителях — зачем нужно устройство

Что такое предохранитель

Предохранитель — это коммутационное электромеханическое устройство, которое предназначено для защиты элементов систем распределения электричества и оборудования от перегрузов токов и от сверхтоков.

Предохранитель отключает электрическую цепь размыканием токоведущих частей под действием электрического тока, которое превышает допустимое значение.

Назначение и принцип действия

Предохранитель предназначен для пропускания рабочего тока и разрыва электрической цепи, то есть защиты электрооборудований и электрической сети от сверхтоков, которые возникают при коротком замыкании или при критических перегрузках. Он обеспечивает бесперебойную работу электрической цепи.

Предохранитель встраивается в разрыв электрической цепи (последовательно).

Когда протекает сверхток, происходит нагрев плавкого элемента предохранителя и его расплавление с образованием электрической дуги. При погасании электрической дуги цепь оказывается разомкнутой.

Плавкую вставку обычно заполняют специальным наполнителем (мелом, кварцевым песком) для отвода лишней теплоты и успешного гашения дуги. Во время процесса расплавления плавкого элемента происходит разрыв цепи и срабатывание предохранителя.

Когда предохранитель сработал, он подлежит замене, чтобы восстановить электроснабжение.

Также есть такое понятие, как время срабатывания предохранителя. Оно делится на два интервала:

1. Время плавления плавкого элемента. Именно этот интервал определяет эффективность предохранителя, так как электрическая дуга вводит электрическую цепь в сопротивление, ограничивающее поступление тока, что, в свою очередь, уменьшает вредное воздействие на все элементы системы.
2. Время горения дуги.

У предохранителей имеется маркировка, которая может указать на диапазон защиты. Диапазон защиты обозначают двумя буквами: «а» — частичный и «g» — полный.

Далее проставляются прописные английские буквы в маркировке:

• G — универсальные предохранители для защиты кабелей, электродвигателей, трансформаторов;
• L — предохранители для распределительных устройств и кабелей;
• B — предохранители для горнодобывающих оборудований;
• F — предохранители для маломощных электрических цепей;
• M — предохранители для коммутирующих устройств и электромоторов;
• R — предохранители для полупроводниковых схем;
• S — предохранители с моментальным сгоранием и со средним временем срабатывания;
• Tr — предохранители для трансформаторов.

Классификация основных видов предохранителей

Предохранители по принципу действия и по способу разрыва электрической цепи делятся на 4 вида:

1. Предохранители с плавкой вставкой.

Такие предохранители имеют токопроводящий элемент, который расплавляется и испаряется под действием сверхтока. Этим обеспечивается разрыв электрической цепи и защита ее.

Плавкие вставки изготавливают из свинца, меди, цинка, железа. Работа проводника с плавкой вставкой под нормальным током обеспечивает хороший баланс температур между теплом, который выделяется на металле, и отводом тепла в окружающую среду. При превышении расчетной нагрузки такое равновесие разрушается.

Ускорение работы таких предохранителей обеспечивают специальные технические решения: уменьшение площади форм переменного сечения и использование металлургического эффекта.

Когда происходит разрыв электрической цепи, создается электрическая дуга, через который проходит сверхток до момента его погасания.

2. Предохранители электромеханической конструкции.

Такие предохранители основаны на автоматическом выключении. Их еще называют автоматами. Специальный датчик контролирует величину тока, и при его превышении автомат разрывает электрическую цепь.

3. Предохранители на основе электронных компонентов.

Такие предохранители защищают электрическую цепь бесконтактно на основе диодов, тиристоров или транзисторов.

Предохранитель контролирует величину тока и при его превышении затвор предохранителя запирается, тем самым отключает нагрузку. При этом устройство блокирует само себя.

4. Самовосстанавливающиеся предохранители.

Такие предохранители отличаются от предохранителей с плавкой вставкой многократным использованием. После сверхтока они сохраняют свою работоспособность.

Они состоят из полимерных материалов, имеющих положительный температурный коэффициент для электрического сопротивления. У них кристаллическая структура и при сверхтоке предохранитель переходит в аморфное состояние.

Достоинства и недостатки использования

Предохранитель	Достоинства	Недостатки
С плавкой ставкой	сто процентная вероятность срабатывания; скорость срабатывания; низкая стоимость.	подлежит замене после разового использования; плохая защитная роль.
Электромеханической конструкции	многократное использование; быстродействующие; автоматическое выключение.	—
На основе электронных компонентов	быстродействие; работа при температуре более 100 градусов; защита при увеличении тока на 10% от нормы.	—
Самовосстанавливающиеся	сохранение работоспособности после сверхтока; отключение нагрузки; небольшой размер; стабильная работа; быстрота срабатывания.	—

Учитель непонятно объясняет предмет?

Источник

Предохранители: что это, назначение, виды

Электрический предохранитель – это коммутационное устройство, которое предназначено для защиты элементов электроустановок от перегрузок и коротких замыканий путем размыкания электрической цепи.

Принцип работы и устройство

Рассмотрим устройство и принцип работы плавкого предохранителя, так как он является самым востребованным. Причины его популярности – безопасность, надежность, простота использования и низкая цена.

Изделие состоит из двух основных элементов: плавкой вставки и основания для ее крепления с зажимом для подключения к электрической цепи. Назначение вставки – размыкание электрической цепи при перегрузках. Обычно она выполняется в виде корпуса, внутри которого находится плавкий элемент – проводник тока с заданным сечением. Детали, предназначенные для больших мощностей, дополняются наполнителем для гашения электрической дуги. Также вставка оснащается держателем, который соединяется с основанием предохранителя.

В нормальных условиях (когда нет перегрузок и коротких замыканий) предохранитель, включенный в электрическую цепь, в рабочем режиме пропускает ток, протекающий по ней. Он нагревается, но выделяемое тепло рассеивается, не деформируя элемент.

Когда значения тока начинают превосходить заданные параметры, плавкий элемент нагревается и плавится или полностью испаряется (при сильном увеличении температуры). Происходит разрыв цепи и ток с некондиционными значениями перестает поступать к электрическому оборудованию, защищая его от поломки и препятствуя возгоранию проводки.

Материал плавкого элемента подбирается с учетом силы тока, которую он должен воспринимать нормально, и силы тока, при которой должен происходить разрыв цепи.

В простых предохранителях части расплавленного провода отделяются друг от друга под действием силы тяжести. Но при использовании устройств для мощных энергоустановок применяется пружина или грузик. Утяжелители способствуют быстрому отделению частей провода друг от друга, что исключает образование электрической дуги (которая, имея высокую температуру, может привести к ожогу).

После разрушения плавкой вставки восстановление работы электрической цепи (с подачей по ней электрического тока) возможно только после установки нового предохранителя.

Основные рабочие электрические характеристики

Рассмотрим, какие показатели нужно учитывать при покупке предохранительного элемента.

Время-токовая (ампер-секундная) характеристика

Этот параметр является самым важным при выборе предохранителя. Он отражает время срабатывания вставки при перегрузке или коротком замыкании. Математически это отношение времени плавления вставки к силе протекающего через нее тока. Показатель демонстрирует, что скорость срабатывания зависит от силы тока, которая воздействует на элемент. То есть, чем выше нагрузка, тем быстрее расплавится вставка.

Согласно ГОСТ Р МЭК 60127-1-2005, по типу времятоковой характеристики предохранительные вставки бывают сверхбыстродействующими FF, быстродействующими F, полузамедленными М, замедленными Т и сверхзамедленными ТТ.

Рейтинг тока

Это сила тока, при которой предохранитель может пропускать определенный ток без разрушения в течение заданного времени. Например, некоторые модели вставок при рейтинговом токе могут работать в течение 4 часов. То есть, через них будет проходить ток, имеющий значения выше рабочих показателей, но недостаточный для быстрого расплавления. Это произойдет только через 4 часа. В течение этого времени элемент будет постепенно плавиться, при этом пропуская ток.

Температурная зависимость тока срабатывания

Предохранитель размыкает цепь, когда вставка нагревается до температуры плавления. Поэтому, чем выше температура воздуха, тем меньше нужно энергии, чтобы расплавить вставку. То есть, чем теплее вокруг, тем меньше нужно силы тока для срабатывания предохранителя.

Здесь важно не путать температуру воздуха в помещении с температурой среды, которая окружает элемент (обычно она выше, но подразумевается именно эта характеристика).

I 2 t (интеграл Джоуля)

Времятоковая характеристика имеет важный минус: она предназначена для переменных токов с предсказуемой формой (например, синусоидальной). Но предохранители используются и в цепях с импульсными токами, где форма может быть разной. Для определения энергии, которая выделяется плавким элементом в подобной цепи, применяется интеграл Джоуля I 2 t, то есть интеграл квадрата тока за определенный промежуток времени, который выражается в амперах в квадрате в секунду (А 2 ×с).

Отключающая способность

Это значение тока, которое предохранитель может отключить при заданном напряжении и определенных условиях применения. При более высоком токе, для которого вставка не предназначена, элемент может просто взорваться (то есть, разрушение будет слишком быстрым). Отключающая способность указывается для всех предохранителей.

Рейтинг напряжения

При срабатывании плавкого элемента электроцепь размыкается физически. Но при сильном увеличении напряжения возможен пробой (когда подача тока восстанавливается, но по воздуху, по корпусу или другим методом). Рейтинг напряжения отражает нагрузку, при которой это может произойти. При выборе предохранителя учитывается, какое предельное напряжение может быть в конкретной энергосети.

Виды/типы предохранителей

Цилиндрический предохранитель	Флажковый предохранитель	Ножевой предохранитель
Предохранитель типа D	Полимерный предохранитель

Рассмотрим, какие бывают предохранители по принципу действия, варианту исполнения, конструкции и время-токовым характеристикам.

По принципу действия

По способу разрыва электроцепи выделяют такие типы предохранителей:

• Электромеханические. Имеют в конструкции биметаллическую пластину, которая при сильном нагреве размыкает цепь.
• Плавкие. Цепь разрывается путем расплавления специальной вставки.
• Электронные. Оснащаются ключом, который при перегрузках разрывает цепь. Ключ управляется электронной схемой.
• Самовосстанавливающиеся (полимерные). Состоят из полимерных материалов, которые могут менять свои свойства (становиться больше или меньше), и при высоком токе не пропускают электричество. Сопротивление увеличивается, но потом (когда ток приобретает рабочие значения) снижается. Это препятствует повреждению внешней электрической цепи.

По время-токовым характеристикам срабатывания

Элемент не перегорает сразу при превышении силы тока, указанной на корпусе. Обычно для быстрого срабатывания предохранителя это значение в цепи должно быть примерно в 2 раза выше номинального тока.

При подсчете времени отключения цепи с помощью конкретного предохранителя учитывается время плавления вставки (что происходит до образования электрической дуги) и время гашения дуги (после чего цепь размыкается). Второй параметр обычно составляет 1÷10 мс. Но время срабатывания предохранителя означает именно время перегорания плавкой вставки. А оно может быть разным. В зависимости от этого различают такие предохранители:

• Сверхбыстродействующие (FF)
• Быстродействующие (F)
• Полузамедленные (M)
• Замедленные (T)
• Сверхзамедленные (ТТ)

Времятоковая характеристика зависит и от материала вставки, ее длины и формы.

По конструкции

По ГОСТ Р МЭК 60269-3-1 выделяют 6 типоразмеров плавких предохранителей:

• типа D (первый типоразмер);
• цилиндрические типа А;
• цилиндрические типа В;
• цилиндрические типа С;
• со штырьковыми выводами;
• цилиндрические для применения в предохранителях штепсельного типа

Во всех изделиях применяются плавкие вставки gG с керамическим корпусом.

Отдельный тип плавких предохранителей – высоковольтные, которые выполняются по ГОСТ 2213-79. Они предназначены для более высоких нагрузок, и размер у них больше.

Различают и такие виды предохранителей:

• Слаботочные вставки. Применяются в цепях малой мощности (обычно с током не более 6 ампер). В основном имеют вид цилиндра с металлическими контактами по бокам и тонкой проволокой внутри.
• Вилочные изделия. Стандартно используются в электроцепях постоянного тока автомобильной техники. Контакты располагаются с одной стороны, а плавкая деталь – с другой.
• Пробковые модели («пробки»). Традиционный вариант исполнения. Такие предохранители раньше использовались повсеместно. Внутри конструкции из фарфора располагается проволока, которая сгорает при перегрузках и размыкает цепь.
• Ножевые предохранители. Обычно применяются в производстве, предназначены для больших нагрузок (для силы тока до 1250 ампер).
• Кварцевые вставки. Применяются для токов до 400 А в сетях с напряжением до 36 кВ.
• Газогенерирующие. При сгорании выделяют газ, при этом слышен хлопок. Применяются в сетях с нагрузкой 35-110 кВ и номинальным током до 100А.

Предохранители могут быть наполненными и ненаполненными. В наполненных внутри вставки имеется материал (обычно кварцевый песок), который гасит электрическую дугу при перегорании проводника. Цепь размыкается только после исчезновения дуги.

Маркировка предохранителей

Согласно ГОСТ 17242-86, в маркировке должны быть такие данные:

• а) товарный знак компании-изготовителя;
• б) типоразмер;
• в) рабочий ток;
• г) напряжение постоянного и переменного тока;
• д) диапазон отключения (времятоковая характеристика);
• е) отключающая способность;
• ж) габарит;
• и) стандарт или технические условия, которым соответствует изделие.

В маркировке перед цифрами, обозначающими номинальный ток, указывается две буквы. Первая обозначает диапазон отключения предохранителей:

• a – действуют в частичном диапазоне токов отключения, защищают только от короткого замыкания;
• g – обладают отключающей способностью в полном диапазоне, защищают от перегрузок и коротких замыканий.

Вторая буква обозначает тип оборудования, для которого предназначен элемент:

• G – общего применения, универсальный, для трансформаторов, кабелей, электродвигателей;
• L – кабели и распределители;
• М – электрические двигатели;
• R – полупроводниковые системы.
• B — горнодобывающее оборудование;
• F — маломощные цепи;
• Tr — трансформаторы.

Также есть отдельная категория предохранителей, которые обозначаются буквой S. Они сразу сгорают при коротком замыкании и отличаются средним временем срабатывания при перегрузках.

Самые распространенные предохранители – с обозначением gG. Это устройства общего применения, которые имеют частичный диапазон защиты.

Если на корпусе вставки нет первых двух букв, а есть значение номинального тока, изделие подходит только для защиты от короткого замыкания.

Маркировка производится согласно требованиям ГОСТ Р МЭК 60127-1-2005.

Расчет предохранителей

Устройство должно соответствовать таким требованиям:

• Времятоковая характеристика должна быть ниже аналогичного параметра защищаемого объекта, но при этом иметь значения рядом с ним (то есть должна быть ниже, но не намного).
• Время срабатывания при коротком замыкании должно быть минимальным, особенно при защите полупроводниковых электрических приборов.
• При коротком замыкании элементы должны обеспечивать селективность защиты (чтобы отключалась только та линия питания или часть схемы, в которой возникла неисправность).
• Так как электроустановки становятся все мощнее, предохранители должны отличаться высокой отключающей способностью.
• Конструкция изделия должна быть такой, чтобы обеспечивалась возможность быстрой замены плавкой вставки.

При расчете плавких элементов учитывается масса параметров:

• Номинальный ток. От него зависит выбор рейтинга тока. Он должен быть примерно на треть выше рабочих значений. То есть, если номинальный ток 7,0, нужно выбирать вставку с рейтингом тока 10 А.
• Рабочая температура. Она тоже определяет рейтинг тока устройства. Чем сильнее нагревается предохранитель, тем более высокий рейтинг тока у него должен быть. При этом рабочую температуру тоже рекомендуется указывать при расчетах с запасом (в 15-20%).
• Рабочее напряжение. В зависимости от него выбирается рейтинг напряжения. Важно, чтобы значение параметра было выше рабочих нагрузок.
• Скорость срабатывания. Выбор типа вставки по скорости размыкания цепи (сверхбыстродействующей, быстродействующей, полузамедленной, замедленной, сверхзамедленной) производится в зависимости от времятоковых характеристик, которые указывает изготовитель плавкого элемента.
• Максимальный ток короткого замыкания. Нужно, чтобы отключающая способность компонента была выше максимальных токовых нагрузок, которые могут быть в сети.
• Габариты, типоразмер и способ установки. Данные параметры тоже учитываются при расчете. Выбирать нужно в зависимости от назначения предохранителя (места его крепления). Подобрать нужную модель несложно, так как сегодня у производителей есть масса вариантов исполнения продукции, в которых возможны любые сочетания указанных параметров.
• Соответствие нормам. Изделие должно быть сертифицировано и выполнено согласно установленным стандартам. К примеру, для применения во взрывоопасных условиях элемент должен соответствовать ГОСТ 31610.11-2014 (IEC 60079-11:2011).
• Стойкость к импульсным воздействиям. Эту характеристику изучим немного подробнее.

Если предохранитель используется в цепях с импульсными токами, их форма будет разной. Например, такие условия формируются при пусковых токах и в разных переходных процессах. Важно, чтобы предохранитель сохранял работоспособность при кратковременных токовых импульсах (выше рейтинга тока для конкретной модели) и не срабатывал. Для выбора подходящего плавкого элемента требуется расчет интеграла Джоуля.

Расчет I 2 t предохранителя

Чтобы определить значение параметра для одного импульса, нужно знать форму этих импульсов, так как для каждой есть своя формула.

Формулы достаточно простые. Например, если импульсы имеют прямоугольную структуру при амплитуде Ip = 1А и длительности t = 5мс, интеграл Джоуля будет таким:

Затем учитывается количество скачков. Например, импульсов будет 6000.

Тогда с учетом графика можно определить номинальное значение интеграла Джоуля для предохранителя:

Необходимо, чтобы значение было больше, чем указанное производителем предохранителя. Если оно будет ниже, плавкий элемент сработает при возникновении импульсов.

Расчет предохранителя может выполняться самостоятельно, но при необходимости можно воспользоваться рекомендациями специалистов.

Плюсы и минусы предохранителей

Основные преимущества устройств такие:

• Простая конструкция и высокая надежность. Перегорают быстро, обеспечивая эффективную защиту цепи и оборудования. В предохранителе практически нечему ломаться, поэтому почти исключена поломка механизма, как это бывает в автоматических реле. При аварии элемент выполнит полноценное обесточивание цепи.
• Возможность применения предохранителей с малой скоростью срабатывания для селективности.
• Хорошая предельная отключающая способность при сравнительно небольшом номинальном токе.
• Возможность замены многих плавких вставок под напряжением.
• Невысокая стоимость.

• Возможность срабатывания только в одной фазе. Поэтому может перегреться подключенное оборудование, например, асинхронный двигатель. Для подключения трехфазных двигателей рекомендуется применять реле контроля фаз.
• Срабатывают только один раз, затем перегорают. Поэтому после каждого срабатывания нужна замена (если только не используется самовосстанавливающийся предохранитель).
• Ограничения по току, нагрузке и отключающей мощности.
• Долгое несрабатывание при небольшом токе перегрузки.
• Конструкция предусматривает возможность установки жучков (шунтирования), которые могут приводить к возникновению пожаров.

Применение

Предохранители используются для защиты от перегрузок и короткого замыкания низковольтных и высоковольтных электрических цепей. Устройства применяются при эксплуатации бытового и промышленного электрического оборудования. Возможно их встраивание в комплектные устройства.

По области применения различают такие виды плавких вставок:

• Общего применения. Предназначены для защиты силовых потребителей электрической энергии с высокой электродинамической и электротермической стойкостью (электрические двигатели, трансформаторное оборудование, электросети в цехах и т. д.).
• Сопутствующие предохранители. Используются в сочетании с автовыключателями и тепловыми реле. Выполняют отключение цепи только при высоких нагрузках. При этом они или снижают значение тока до значений, допустимых для выключателей, или деактивируют цепь до момента размыкания контактов выключателя. Изготавливаются только с отключающей способностью в части диапазона (при малых перегрузках защита обеспечивается автовыключателями или тепловыми реле, поэтому применять вставки полного диапазона нет смысла).
• Предохранители для силовых полупроводниковых приборов. Выполняются только быстродействующими и обладают токоограничительными способностями, так как полупроводниковые устройства чувствительны к сильному нагреву.
• Предохранители для трансформаторных установок. Выделяются стойкостью к ударам и вибрациям. Предназначены именно для трансформаторов.

Сегодня производятся изделия для применения в любом климате, на объектах с разными условиями эксплуатации (например, уровнем механического воздействия).

Источник