На заре развития электротехники предохранители (плавкие вставки) были единственным средством защиты в электрических цепях в случае возникновения нештатных ситуаций. В настоящий момент существует большое количество более совершенных устройств, предназначенных для этой цели, однако и классические предохранители используются до сих пор, даже в сетях напряжением до 110 кВ.
Внешний вид и назначение
Плавкие предохранители внешне могут выглядеть по-разному. Они могут иметь цилиндрический корпус из стекла, фарфора, пластика или керамики, корпус в виде прямоугольного параллелепипеда, но обычно они в любом случае имеют два вывода большого сечения, чтобы не ограничивать ток в штатном режиме.
Структура и принцип работы
Главной частью любого плавкого предохранителя является вставка из металла (нить), рассчитанная на прохождение определенной силы тока. Ее можно увидеть через прозрачный корпус или разобрав устройство. При прохождении тока через нить она, в соответствии с законом Джоуля-Ленца, нагревается, а количество теплоты пропорционально квадрату тока. Если уровень тока превышает номинальный, количество теплоты становится достаточным для плавления вставки, она перегорает, разрывая цепь. Если номинал элемента подобран правильно, то перегорания при штатном режиме не происходит, а когда ток выходит за пределы допустимого для потребителя, предохранитель выходит из строя и отключает нагрузку. В этом и состоит принцип работы плавких предохранительных устройств.
Можно сказать, что назначение плавких предохранителей, как дешевых и легко заменяемых приборов, «жертвовать собой», сохраняя в целости дорогостоящие устройства.
Ток срабатывания предохранителя зависит от:
- материала вставки;
- сечения вставки.
Чем выше превышение тока над номинальным, тем быстрее плавится нить, тем быстрее разрывается ток в цепи.
На самом деле, после перегорания металлической нити ток мгновенно не прекращается. Между электродами зажигается электрическая дуга, которая некоторое время поддерживает ток в цепи (особенно это характерно для нагрузки с преобладающей индуктивной составляющей). Поэтому общее время от возникновения нештатной ситуации до прекращения тока складывается из двух последовательных этапов:
- Время плавления вставки.
- Время гашения дуги (деионизации промежутка).
Для сокращения длительности второго этапа внутреннюю часть предохранителя заполняют кварцевым песком, частицы которого ускоряют деионизацию внутреннего пространства. Существуют и другие методы, ускоряющие гашение дуги, например, крепление вставки на пружине. В штатном состоянии пружина растянута, а при перегорании нити она сокращается, оттягивая остатки нити к краю корпуса и увеличивая дуговой промежуток. Это способствует более раннему дугогашению.
Типы и характеристики
Основными параметрами плавких предохранителей, большей частью определяющими выбор элемента, являются:
- ток срабатывания;
- номинальное напряжение.
Но эти параметры определяют габариты прибора (в большей степени напряжение, в меньшей — ток). По этой причине все предохранители можно классифицировать и по размерам.
Кроме того, можно плавкие элементы можно разделить по форме контактов:
- под пайку;
- круглые под зажим;
- плоские втычные (ножевые);
- иные формы контактов.
Выше упоминалось, что могут быть различные варианты материала корпуса и способа дугогашения (либо вообще без системы гашения дуги). По всем этим, а также по другим параметрам (например, по конструкции – разборный или неразборный) и можно классифицировать плавкие предохранители.
Маркировка предохранителей
Минимально маркировка предохранителей состоит из тока плавления вставки – без этой информации применять устройство невозможно. Но если позволяют размеры, на корпус можно нанести и другую информацию.
Цветная маркировка автомобильных предохранителей
Предохранители, используемые в цепях защиты автомобильной бортовой сети, имеют особую, легко узнаваемую конструкцию (пластиковый «вилочный» корпус) и цветовую (помимо цифровой) маркировку номинала. Это позволяет легко подобрать вставку для замены. Зависимость цвета от тока срабатывания приведена в таблице.
| Цвет | Максимальный ток, А |
|---|---|
| Черный | 1 |
| Серый | 2 |
| Фиолетовый | 3 |
| Розовый | 4 |
| Янтарный (коричнево-желтый) | 5 |
| Коричневый | 7,5 |
| Красный | 10 |
| Голубой | 15 |
| Желтый | 20 |
| Белый | 25 |
| Зеленый | 30 |
| Оранжевый | 40 |
| Синий | 60 |
| Коричневый (темно-коричневый) | 70 |
| Светло-желтый | 80 |
| Сиреневый | 100 |
Советы по подключению предохранителей в цепь
Предохранители подключаются последовательно с нагрузкой. Как известно, при таком подключении через все элементы электрической цепи идет один и тот же ток. По этой причине плавкая вставка будет контролировать именно ток нагрузки.
При выборе номинала защитного устройства ток надо выбирать так, чтобы он превышал реальный ток, текущий через нагрузку примерно на 20%. При этом надо учитывать не только ток установившегося режима, но и переходные процессы (пусковые токи, броски на заряд конденсатора и т.п.). Если после выбора номинала наблюдаются периодические ложные перегорания, надо увеличить номинал на одну ступень.
Сильно завышать ток срабатывания не следует – мощности источника питания может не хватить для плавления предохранителя, но вполне хватит для вывода из строя основного оборудования.
Если предохранитель перегорел, заменять его надо элементом того же номинала. Если установить прибор с большим током, он может не сработать штатно, что приведет к выходу из строя потребителя. Если номинал будет занижен, это приведет к ложному срабатыванию.
Достоинства и недостатки
Самым главным недостатком предохранителя, сократившим область его применения, является его одноразовость – после срабатывания (в отличие, например, от автоматического выключателя) элемент надо менять. Это влечет за собой отключение питающего напряжения и другие возможные действия, требующие времени и навыков. Кроме того, так как вставка срабатывает однократно, на ней очень сложно реализовать такой вид автоматики, как автоматическое повторное включение (применяется, большей частью, на воздушных линиях электропередач).
К минусам также относят возможность неполнофазного режима – когда при повреждении одной фазы две другие остаются в работе. Это ведет к несимметричным режимам работы.
Недостатком является и низкая чувствительность при токах, ненамного превышающих допустимый и длительное время срабатывания. Кроме того, время перегорания зависит от местных условий – температуры в месте установки, току, который шел через вставку перед возникнованием нештатного режима и т.д.
Зависимость времени срабатывания от условий в определенной степени присуща и автоматическим выключателям, применяемым в сетях до 1000 вольт.
У каждого недостатка может быть обратная сторона. Так, невозможность проверки фактической уставки срабатывания оборачивается отсутствием необходимости выполнения наладочных работ перед вводом в эксплуатацию. А одноразовость окупается дешевизной, простотой установки и ненужностью сложной системы из трансформаторов тока, промежуточных реле, катушек отключения и т.д. Возможность работы в неполнофазных режимах тоже иногда является преимуществом – при повреждении одной фазы в некоторых схемах электроснабжения электроэнергия продолжает передаваться по двум оставшимся фазам.
В видео показано, как срабатывает плавкий предохранитель при увеличении нагрузки и при коротком замыкании.
К прочим плюсам можно отнести возможность отключать большие токи короткого замыкания – отсутствует возможность приваривания контактов. При этом токи ограничиваются достаточно простыми способами. Кроме того, предохранителям присуща повышенная надежность – нет движущихся механических частей, способных сломаться или заклинить.
По этим причинам при всех недостатках, выявленных за десятки лет эксплуатации, плавкие предохранители не сошли со сцены, и достаточно широко применяются для ликвидации нештатных режимов. Это означает, что их преимущества в определенных ситуациях перевешивают недостатки, и старые, испытанные меры защиты электрических цепей рано полностью списывать в историю.
