Назначение и типы устройств плавких предохранителей

Правила оформления принципиальных электрических схем

В настоящее время принципиальные электрические схемы трансформаторных подстанций выполняют в соответствии с ГОСТ 21.613–88. Нормально отключенному положению выключателя соответствует заштрихованный прямоугольник, а не заштрихованный прямоугольник — выключатель включенный. Обозначение выключателя можно выполнять буквенным кодом Q без признака автоматики отключения F.

Обозначения условные графические на схемах следует выполнять на основании рекомендаций ГОСТ 2.721–74*, приведённых в прил. А.

Часто рассматриваются вопросы размещения электрооборудования в помещениях бытового назначения, в помещениях цехов, подстанций ит.д. Условные графические изображения на основании ГОСТ 21.614–88 приведены ниже.

Размещение объектов электроэнергетики на картах местности и на ситуационных картах, обозначение объектов и линий связи между ними рекомендуется выполнять в соответствии с графическими обозначениями ниже.

Назначение и принцип действия

Основная задача плавких предохранителей – защита электрической сети и электрооборудования от сверхтоков, возникающих при коротком замыкании или в результате критических перегрузок. При этом они обеспечивают бесперебойную работу защищаемых цепей в номинальном режиме.

В отличие от автоматического выключателя, часто применяемого в электротехнике, плавкая вставка срабатывает только один раз, после чего он подлежит замене. Однако срабатывает такое устройство со стопроцентной вероятностью, в то время как автоматика после многократного отключения может подвести. Именно поэтому для защиты дорогостоящего оборудования используют плавкие вставки. Не отказываются от применения этих защитных устройств и в силовых цепях.

Устройство и принцип защиты

В конструкции плавкого предохранителя есть два основных элемента: корпус (держатель) с контактами и плавкую вставку (рисунок 1). Строго говоря, только сочетание этих элементов можно называть предохранителем. Очень часто деталь плавкой вставки (особенно если она заменяемая) называют плавким предохранителем. В данной статье мы тоже иногда будем придерживаться этой традиции.

Рис. 1. Конструкция плавкого предохранителя

Рабочим элементом вставки является проводник из меди или сплава металлов. Благодаря этому плавкому элементу происходят отключения цепи в критических ситуациях.

В качестве плавкого элемента может быть одна или несколько медных проволок, пластина либо фигурная деталь. Эти проводники помещаются в жаропрочный корпус: стеклянный, керамический (рис. 2) или пластиковый. В зависимости от назначения, пространство вокруг плавкого элемента может быть заполнено кварцевым песком или окружено легкоиспаряющимся веществом, предназначенным для гашения электрической дуги.

Рис. 2. Керамические плавкие вставки

При прохождении номинальных токов через проволоку вставки, она незначительно нагревается, не достигая температуры плавления. Но в режиме короткого замыкания резко возрастает величина тока, что приводит к плавлению вставок. Это приводит к разрыву цепи.

Нагревание предохранителя происходит также при перегрузках, то есть в результате превышения номинального напряжения на защищаемом участке цепи. При достижении рабочих напряжений величины, называемой током отключения, температура плавкого элемента возрастает до точки плавления и цепь разрывается. После восстановления параметров цепи плавкую вставку необходимо заменить.

Плавкие вставки имеют некую инерционность срабатывания. При КЗ задержка незаметна, так как в этом случае плавкий элемент нагревается молниеносно.

Иначе обстоит дело в случаях с перегрузками. Для достижения температуры плавления требуется больше времени. Поэтому, чтобы повысить скорость срабатывания, элементам вставок придают специальную форму и нагружают их силами упругости (один конец пластины соединяют с растянутой пружиной).

В некоторых моделях под действием пружины наружу выходит штифт, называемый индикатором срабатывания (рисунок 3). Он выступает в роли указателя срабатывания и свидетельствует о том, что вставку надо менять.

Рис. 3. Строение плавкой вставки

Цифрами на рисунке обозначено:

• I – патрон;
• 2 – плавкая пластина;
• 3 – шарики из олова;
• 4 – плавкая вставка;
• 5 – кварцевый песок;
• 6 – пружина;
• 7 – текстолитовая шайба;
• 8 – спусковой механизм указателя срабатывания;
• 9 – колпачок;
• 10 – ободок колпачка;
• 11 – указатель срабатывания;
• 12 – асбоцементная прокладка;
• 13 – цементная заливка.

В ряде случаев для увеличения скорости срабатывания используют вставки с параллельно натянутыми проволоками разных диаметров. Перегорание самой тонкой проволоки увеличивает нагрузку на остальные элементы, ускоряя их плавление.

С целью снижения перенапряжений в некоторых конструкциях вставок применяют проволоки с разными сечениями отдельных участков. При срабатывании такого предохранителя, первым перегорает участок с наименьшим сечением вставки. Если пары расплавленного металла спровоцируют в точке разрыва электрическую дугу, то перегорит участок с большим сечением.

Конструктивные особенности предохранителей можно узнать по их маркировке. К сожалению, время-токовые характеристики наносятся не на все типы изделий. Но модели, на которые нанесены буквенно-цифровые коды, можно легко классифицировать по их назначению.

Разновидности устройств токовой защиты

Однако суть электрического предохранителя осталась, несмотря на иной внешний вид. Внутри корпуса установлена плавкая вставка. При увеличении тока вставка нагревается. А при дальнейшем увеличении тока она расплавляется и происходит физический разрыв электрической цепи с полным прекращением тока в ней. При больших напряжениях и токах любой разрыв цепи сопровождается электрической дугой. Чтобы погасить электрическую дугу предохранитель наполняют специальным материалом гасящим её.

В своё время в каждом распределительном устройстве устанавливался счётчик электроэнергии с так называемыми пробками. Внутри пробки располагался плавкий предохранитель, а сама конструкция пробки обеспечивала удобное обращение с ней и надёжность контактов при этом. Но рано или поздно пробка «вылетала», а запасных предохранителей не было. И тогда умельцы ставили «жучок» — самодельную «плавкую» вставку из тонкой медной жилы.

Такая замена ставит безопасность электрооборудования под угрозу порчи. Заводская плавкая вставка изготовлена из специального сплава и гарантированно разрушается при превышении величины тока указанной на корпусе. «Жучок» может перегореть, но при этом ток достигнет разрушительной величины. А неисправность в оборудовании повлечёт за собой его порчу из-за того, что ток не был своевременно отключён перегоранием правильной плавкой вставки.

Со временем появились электронные устройства на полупроводниковых приборах. Они быстро выходят из строя при превышении допустимых величин тока. Возникла необходимость в максимально быстром разрыве электрической цепи. Процесс разрушения плавкой вставки оказался слишком медленным, и ток успевал достичь величины разрушительной для оборудования. Появились автоматические электромеханические предохраняющие устройства.

В этих устройствах есть контакты, которые нормально замкнуты. То есть до тех пор, пока величина тока не достигнет заданного значения. После этого контакты размыкаются и остаются в таком положении, пока вручную не восстанавливается исходное состояние устройства. Автоматические предохранители изготавливаются по двум базовым конструкциям относительно способа срабатывания:

• тепловому;
• электромагнитному.

Конструкция автоматического предохранителя с тепловым отключением применяется для относительно небольших токов. Такие токи потребляются, в том числе бытовым электрооборудованием. Для удобной замены пробки с плавкой вставкой теперь есть бытовой автоматический предохранитель. Внутри него находится пара замкнутых контактов.

Контакты соединены с натянутой пружиной, которая удерживается специальным держателем. Держатель может изменять своё положение и освобождать пружину, которая при этом разомкнёт контакты. Держатель перемещается биметаллической пластиной. Она нагревается током нагрузки, который течёт через неё. На корпусе размещены две кнопки: одна дублирует действие пластины, другая восстанавливает исходное состояние предохранителя.

Справа показан электический предохранитель европейского производства, изготовленный по соответствующим стандартам. Устроен он так же, но не вкручивается вместо пробок. Кнопки в нём заменены перекидным рычагом, который замыкает и размыкает контакты. Он удобен для отдельного отключения нагрузок в разных комнатах квартиры, на дачах и в частных домах. Рядом устанавливается несколько таких предохранителей, что компактно и удобно.

Электромагнитные предохранители срабатывают от намагничивания, которое создаёт ток в катушке индуктивности. Такая конструкция применяется для защиты промышленного электрооборудования, потребляющего большие токи.

Лучше всего те предохранители, которые быстрее всего разрывают электрическую цепь.

Но вместе с тем существует и фактор надёжности. Ведь в электромеханическом устройстве может лопнуть пружина или что-то заклинит от перепада температуры или еще, по какой-либо причине, или приварятся контакты. А вот плавкая вставка сгорит всегда. Поэтому лучше всего применять пару предохранителей – плавкий и автоматический электромеханический. Пока исправно работает автоматический вариант, он будет отключать ток быстрее, чем перегорит плавкая вставка. Но если автомат по какой-либо причине не отключит нагрузку, это сделает плавкий предохранитель.

Разновидности

Используемые в Америке пробковые предохранители

К сожалению, на данный момент не существует единой системы классификации предохранителей, однако их можно классифицировать по разным признакам.

По характеристике

Сработавший на перегрузку предохранитель. На стенках стеклянной колбы видны капли испарившейся меди.

Вообще говоря, 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, назовём его номинальным или рабочим, все плавкие предохранители ведут себя абсолютно одинаково.

Но как только протекающий через него ток начинает превышать значение минимального тока срабатывания, предохранитель 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, как и в первом случае, 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 — защита кабелей и распределительных устройств
  • B — защита горного оборудования
  • F — защита маломощных цепей
  • M — защита цепей электродвигателей и отключающих устройств
  • R — защита полупроводников
  • S — быстрое сгорание при коротком замыкании и среднее время сгорания при перегрузке
  • Tr — защита трансформаторов

Принцип работы

Проводник, размещённый внутри корпуса, зачастую делается из какого-либо чистого металла, например, цинка или же меди. Защита оборудования основана на том, что токопроводящие металлы благодаря сопротивлению нагреваются во время подключения к электричеству. Этот эффект 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.

Блоки под капотом

Основной блок

Расположен в левой части моторного отсека.

Пример исполнения

Схема на русском

Оригинальная схема с крышки

Обозначение предохранителей

Расшифровка реле

Дополнительный блок

Устанавливается в передней части в моделях с дизельным двигателем.

Схема

Назначение

Остались вопросы? Задавайте их в комментарии.

Устройство плавкого предохранителя

В состав входит корпус или патрон, обладающий электроизоляционными свойствами, и сама плавкая вставка. Ее концы соединяются с клеммами, которые последовательно включают предохранитель в электрическую цепь, совместно с защищаемым устройством или электрической линией. Материал плавкой вставки выбирается с таким расчетом, чтобы он мог расплавиться раньше, чем температурный показатель проводов выйдет на опасный уровень, либо потребитель в результате перегрузки выйдет из строя.

Исходя из конструктивных особенностей, плавкие предохранители могут быть патронными, пластинчатыми, пробочными и трубочными. Расчетная сила тока, которую способна выдержать плавкая вставка, указывается на корпусе устройства.

Довольно простая конструкция у низковольтных предохранителей. Под воздействием высокого тока плавкая вставка или токопроводящий элемент подвергается сильному нагреву, после чего при достижении определенной температуры плавится в дугогасящей среде и испаряется, разрывая защищаемую цепь. Именно так работает плавкий предохранитель в электрической цепи.

Для того чтобы горячие газы и жидкий металл не попадали в окружающую среду применяется керамический изолятор, он же корпус устройства, устойчивый к воздействию высоких температур и значительного внутреннего давления. Защитные крышки, расположенные по краям предохранителя, оборудованы специальными планками под унифицированные рукоятки, захватывающие плавкие вставки при замене негодных элементов. С помощью защитных крышек и керамического корпуса создается взрывонепроницаемая оболочка, ограничивающая коммутационную электрическую дугу.

Песок, заполняющий внутреннее пространство, ограничивает силу тока. Материал выбирается с определенными размерами кристаллов, после чего он уплотняется надлежащим образом. Как правило предохранители заполняются кварцевым кристаллическим песком, имеющим высокую химическую и минералогическую чистоту. Соединение плавкой вставки с основанием-держателем осуществляется механическим способом, при помощи контактных ножей. Для их изготовления используется медь или медные сплавы, покрытые оловом или серебром.

Тепло, а не ток

Предохранитель срабатывает не непосредственно по току; скорее, ток создает тепло, а тепло отключает предохранитель

Это на самом деле довольно важное различие, поскольку это означает, что на работу плавкого предохранителя влияет температура окружающей среды и временны́е характеристики тока

Указанный номинальный ток предохранителя относится только к определенной температуре окружающей среды (обычно или, может быть, всегда, это 25°C), и, следовательно, вам необходимо учесть это при выборе предохранителя, если вы разрабатываете устройство, которое будет работать на открытом воздухе, скажем, в Антарктиде или Долине Смерти. На следующем рисунке показано, как температура окружающей среды влияет на фактический номинальный ток относительно указанного номинального тока при 25°C для трех типов предохранителей.

Относительное изменение номинального тока плавких предохранителей в зависимости от температуры окружающей среды

Что касается временны́х характеристик тока, проходящего через плавкий предохранитель, всё, что мы знаем, это то, что эффект тепла накапливается с течением времени (мгновенное касание горячей сковороды – ничто по сравнению с ее поднятием и осознанием того, насколько горячо, когда вы находитесь на полпути между плитой и обеденным столом). Следовательно, номинал тока предохранителя является упрощением его реального поведения. Мы не можем ожидать, что плавкий предохранитель будет реагировать на высокоамплитудные переходные процессы, поскольку кратковременность высокой рассеиваемой мощности не увеличивает температуру до значения, достаточного для отключения.

На следующем графике показаны временны́е характеристики для группы плавких предохранителей, изготовленных Panasonic. Номинальный ток находится вверху, а кривая представляет собой время, необходимое для отключения плавкого предохранителя в зависимости от величины тока, протекающего через предохранитель.

Временные характеристики плавких предохранителей

Как вы можете видеть, амплитуды тока при переходных процессах должны быть намного выше, чем номинальный ток. Например, вам нужно 3 ампера, чтобы отключить предохранитель на 0,5 ампера, если продолжительность перегрузки по току составляет всего 1 миллисекунду.

Время-токовая характеристика

Время-токовые характеристики максимальных реле тока направленных защит могут быть как независимыми, так и зависимыми и ограниченно зависимыми. Выбор этих характеристик производится так же, как и в обычных токовых защитах.
 

Время-токовая характеристика должна задаваться в виде кривых или контрольных точек: перегрузок малой кратности ( 1 3 — 1 5) Люгр и обязательно 3 — 4-кратного и пускового токов.
 

Время-токовые характеристики алюминиевых плавких вставок, полученные при лабораторных испытаниях, хорошо согласуются с результатами опытов в реальных условиях эксплуатации.
 

Защитной время-токовой характеристикой плавкой вставки называют зависимость полного времени отключения цепи от величины тока, протекающего через вставку.
 

Их время-токовая характеристика может быть достаточно хорошо согласована с защищаемым объектом. Однако эти расцепители имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение.
 

Поскольку время-токовые характеристики предохранителей как уже отмечалось, имеют существенный разброс, на выбор номинального тока плавкой вставки предохранителя линии накладывается еще одно условие, обеспечивающее селективность защиты. Если смежные участки радиальной сети защищаются однотипными предохранителями, то номинальный ток плавкой вставки предохранителя линии, расположенной ближе к источнику питания, должен превышать номинальный ток плавкой вставки предохранителя смежного, более удаленного элемента сети, как правило, не менее чем на две ступени шкалы номинальных токов плавких вставок; для предохранителей типа СПО, а также в случае использования разнотипных предохранителей — не менее чем на три ступени. Для предохранителей типа ПК напряжением 6 — 35 кВ разница в номинальных токах плавких вставок должна быть не менее одной ступени.
 

Стабильность время-токовой характеристики в значительной степени зависит от окисления плавкой вставки.
 

Разброс время-токовых характеристик тепловых элементов расцепнтелей должен учитываться при создании селективной защиты. Последняя будет обеспечена, если с учетом разброса характеристика каждого вышестоящего автомата лежит выше характеристики нижестоящего.
 

По типовым время-токовым характеристикам автоматических выключателей ( рис. 3 — 20) определяется достаточность выдержки времени теплового рас-цепителя при расчетных токах и продолжительности кратковременных перегрузок. В отдельных случаях, например при пусках двигателей совместно с механизмами, имеющими большие маховые массы, приходится увеличивать номинальный ток расцепителя автоматического выключателя с тем, чтобы получить возможность нормального запуска двигателя без ложного отключения автоматического выключателя в процессе пуска.
 

Защитной или время-токовой характеристикой предохранителя называется кривая, выражающая зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока, протекающего через предохранитель.
 

Схема экспериментального определения время-токовых характеристик обеспечила синхронное с реле включение и отключение электросекундомера. Для снятия характеристик реле мгновенного действия обычно ис-пользовали светолучевой осциллограф.
 

Этот способ получения требуемой время-токовой 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.
 

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

Конструкционные особенности

Разъединитель предохранителей и его эквивалентный конкурент

Главным конкурентом плавкого предохранителя является автомат защиты, отличительной чертой которого является простота в использовании.

Недостатки

• Одноразовые плавкие вставки. В случае срабатывания требуется замена. Существуют самовосстанавливающиеся предохранители, однако стоимость и применимость ограничена.
• Возможный перекос фаз в трёхфазных цепях и отказ потребителя, при использовании однополюсного аппарата защиты.
• Избыточное быстродействие. В случае, когда время срабатывания предохранителя менее 1 — 7 миллисекунд, при отключении мощной реактивной индуктивной нагрузки (трансформаторы, двигатели и т.п.) может возникнуть перенапряжение. Превышение напряжения может в 1000 раз превышать номинальное напряжение цепи.
• 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.
• Вероятность возникновения стабильного горения дуги. Плавкие вставки без твердого или жидкого наполнителя не всегда обеспечивают гарантированное гашение дуги, возникшей при выгорании проводника плавкой вставки.
• Специфичные предохранители, большим недостатком которых является конструкция, дающая возможность шунтирования, то есть использования «жучков», приводящих к пожарам.
• 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.

Преимущества

• Быстродействие. Предохранители обеспечивают наибольшую скорость срабатывания.
• Простота конструкции. Из-за более простой конструкции чем у автомата защиты, почти исключена возможность т. н. «поломки механизма».
• 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.

Для чего применяются плавкие предохранители

В случае соединения двух проводов, подключенных к источнику тока, наступит всем известный эффект короткого замыкания. Причиной может стать испорченная изоляция, неправильное подключение потребителей и т.д. При сравнительно небольшом сопротивлении проводов, в этот момент по ним будет протекать очень высокий ток. В результате перегрева проводов загорается изоляция, что может привести к пожару.

Избежать негативных последствий вполне возможно путем включения в электрическую цепь плавких предохранителей, известных также под наименованием пробок. В случае превышения током допустимой величины, проволочка внутри предохранителя сильно нагревается и быстро расплавляется, разрывая в этом месте электрическую цепь.

Конструкция предохранителей может быть трубчатой или пробочной. Трубочные элементы изготавливаются в закрытом фибровом корпусе, обладающим свойствами газогенерации. В случае повышения температуры внутри трубки создается высокое давление, вызывающее разрыв цепи. Пробочные предохранители имеют стандартную конструкцию, оборудованную проволокой, расплавляющейся под действием высокого электрического тока.

Существует еще одна разновидность так называемых самовосстанавливающихся предохранителей, изготовленных из полимерных материалов, изменяющих свою структуру при разных температурах. Существенный нагрев приводит к резкому изменению сопротивления в сторону увеличения, в результате чего цепь разрывается. Дальнейшее остывание вызывает уменьшение сопротивления, поэтому цепь вновь замыкается. В основном такие предохранители используются в сложных цифровых устройствах. В обычных силовых сетях они не применяются из-за высокой стоимости.

Иногда некоторые умельцы пытаются заменить сгоревший предохранитель, используя вместо него так называемые жучки, представляющие собой кусок толстого провода или тонких проволочек, скрученных в общий пучок. Такие самодельные устройства категорически запрещается использовать, поскольку ток при коротком замыкании будет недопустимо высоким. Сильный нагрев проводки вызовет ее повреждение, возгорание и пожар.