Плавкие вставки. как выбрать и расчет тока. работа и применение

Для чего применяются плавкие предохранители

Несмотря на широкое использование автоматических защитных устройств, плавкие вставки сохраняют свою актуальность при защите электронной аппаратуры, автомобильных электросетей, промышленных электроустановок и систем энергоснабжения. Они до сих пор применяются в распределительных щитах многих жилых домов, благодаря надежной работе, небольшим размерам, стабильным характеристикам и возможности быстрой замены.

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.

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.

Варианты исполнения

Слаботочные вставки

Плавкий предохранитель для маломощных электроприборов

Используются для защиты маломощных цепей, как правило до 20 ампер. Представляет собой стеклянный (керамический) цилиндр c металлическими основаниями, соединёнными между собой внутри тонкой проволокой. При перегрузке или коротком замыкании проволока сгорает, размыкая цепь и предотвращая последующее разрушение чрезмерной температурой. Различаются по размерам:

  • 3х15
  • 4х15
  • 5×20
  • 6×32
  • 7х15
  • 10х38

Вилочные предохранители

вилочные предохранители

Самое широкое применение вилочные предохранители получили в электрических цепях постоянного тока транспортных средств, производятся на рабочее напряжение до 30 вольт. Конструкция таких предохранителей смещена в одну сторону: электрические контакты с одной стороны и плавкая (защитная) часть с противоположной.

  • По конструкции вилочные предохранители делятся на:
    • миниатюрные вилочные
    • обычные вилочные

Пробковые

Пробковые предохранители типа «Neozed»

Самый распространённый тип плавких предохранителей в старых электроустановках жилого фонда стран бывшего СССР. Конструкция представляет собой фарфоровый корпус, внутри которого располагается тонкая проволока (сгорающая в аварийном режиме); для гарантированного разъединения двух концов проволоки друг от друга при сгорании на одном конце проволоки висит груз, окрашенный в определённый цвет (каждому цвету соответствует определённая сила тока). По положению груза, как правило, определяют состояние предохранителя: если он свисает на куске проволоки, значит предохранитель сгорел и требует замены.

  • По типу конструкции различаются на:
    • DIAZED
    • NEOZED

Окраска в соответствии с номинальным током

Сила тока Цвет чеки Максимальная мощность (сеть 220 В)
2 А Розовый 460 Ватт
4 А Коричневый 900 Ватт
6 А Зелёный 1 200 Ватт
10 А Красный 2 000 Ватт
16 А Серый 3 200 Ватт
20 А Синий 4 000 Ватт
25 А Жёлтый 5 200 Ватт
32—50 А Чёрный 7 300 —11 500 Ватт
60 — 63 А Тёмно-красный 13 800 —14 500 Ватт

Ножевые

внутреннее строение ножевого предохранителя

Самый распространённый тип предохранителей на промышленных электроустановках, выпускаются на большие токи, до 1250 ампер. Являются источником повышенной опасности, поскольку использование предусматривало установку в держатель с неизолироваными губками; по этой причине ножевые предохранители стараются использовать только в тех местах, где обслуживание электроустановки предусматривается исключительно квалифицированным персоналом, обладающим как необходимым оборудованием, так и соответствующими навыками техники безопасности. В современном ассортименте можно встретить разъединители ножевых предохранителей в диэлектрическом корпусе, снижающие риск получения травм при обслуживании и/или замене.

  • Различия ножевых предохранителей по типу конструкции:
    • 000 (до 100 ампер)
    • 00 (до 160 ампер)
    • 0 (до 250 ампер)
    • 1 (до 355 ампер)
    • 2 (до 500 ампер)
    • 3 (до 800 ампер)
    • 4а (до 1250 ампер)

Конструкция плавкого предохранителя (включает в себя плавкие вставки)

Все плавкие вставки, вне зависимости от конструктивных особенностей, включают в себя два основных элемента:

  • плавкий элемент — токопроводящий элемент из металла, сплава нескольких металлов или специально подобранных слоёв нескольких металлов;
  • корпус — механизм или систему крепления плавкого элемента к контактам, обеспечивающим включение плавкого предохранителя в целом, как устройства, в электрическую цепь.

Корпуса плавких вставок обычно изготавливаются из высокопрочных сортов специальной керамики (фарфор, стеатит или корундо-муллитовая керамика). Для корпусов плавких вставок с малыми номинальными токами используются специальные стекла. Корпус плавкой вставки обычно выполняет роль базовой детали, на которой укреплен плавкий элемент с контактами плавкой вставки, указатель срабатывания, свободные контакты, устройства для оперирования плавкой вставкой и табличка с номинальными данными. Одновременно корпус выполняет функции камеры гашения электрической дуги.

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

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.

Принцип работы

В качестве защитного элемента в плавком предохранителе применяется, т. н. плавкая вставка, которая находится внутри патрона, заполненного дугогасящей средой, интенсивно поглощающей тепло (кварцевым песком), либо без заполнения, иногда в предохранителях используется автогазовый принцип, при термическом действие дуги приводит к выделению дугогасящих газов из конструкционных элементов патрона (например, при действии дуги фибровый корпус предохранителя выделяет газы). Плавкую вставку выполняют у мощных предохранителей в пластины с вырезами, уменьшающими площадь сечения вставки, при этом в номинальном режиме избыточная теплота из зауженных мест благодаря теплопроводности успевает распространиться на широкие части и вся вставка имеют практически одинаковую температуру. При перегрузках теплота не успевает полностью перераспределиться по всему объёму вставки и происходит её плавление в самом горячем месте. При коротком замыкании процесс идёт настолько интенсивно, что перераспределения теплоты практически не происходит и вставка перегорает в нескольких суженных местах.

Для более быстрого срабатывания предохранителя (в быстродействующих предохранителях) используют специальные конструкции (придают плавкой вставке специальную форму), в которых отключение цепи в предохранителе при больших токах происходит не посредством плавления вставки, а её разрывом электродинамическими силами (иногда для ускорения срабатывания плавкая вставка дополнительно нагружается усилием натянутой пружины). Для ускорения плавления вставки также применяют явление металлургического эффекта, данное решение применяют обычно в предохранителях со вставками из ряда параллельных проволок.

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

Важной характеристикой всякой защиты по току, в т. ч

и предохранителя является время-токовая характеристика, описываемая обычно в виде графика, по оси абсцисс откладывается ток, чаще всего в относительных единицах (за единицу принимается номинальный ток плавкой вставки), а по ординате — время срабатывания. При этом надо иметь в виду, что характеристика каждого экземпляра предохранителя (даже из одной партии) имеет свою время-токовую характеристику, что указывается в каталоге на каждый тип предохранителя как «зона разброса характеристик», которая гарантируется производителем.

При этом надо иметь в виду разницу между номинальным током предохранителя и номинальным током плавкой вставки:

  • номинальный ток предохранителя — это ток, на который рассчитан патрон предохранителя
  • номинальный ток плавкой вставки — это ток, на который рассчитана плавкая вставка.

В данный размер патрон предохранителя может быть установлено несколько вставок на разные номинальные токи, при этом самая наибольшая в номинальном ряду равна обычно номинальному току патрона.

Некоторые типы предохранителей имеют индикатор срабатывания в виде подпружиненного штифта, при перегорании плавкой вставки указательный штифт выбрасывается пружиной из корпуса предохранителя, показывая срабатывание предохранителя. Иногда данный штифт нажимает на специальный сигнальный контакт, подавая сигнал о перегорании предохранителя по цепям телемеханики.

Кварцевые предохранители

Кварцевые предохранители изготовляют для напряжений 6, 10 и 35 кВ для внутренней и наружной установки. Они относятся к группе токоограничивающих предохранителей. Патрон предохранителя типа ПКТ для напряжений 3-35 кВ (рис.4) представляет собой фарфоровую или стеклянную трубку 1, плотно закрытую металлическими колпачками 2. Внутри трубки помещена плавкая вставка 3 в виде одной или нескольких параллельно включенных тонких медных проволок. В нижнем колпачке предусмотрен указатель срабатывания предохранителя 4. Патрон заполнен мелким кварцевым песком.

Длина проволок и, следовательно, длина патрона определяются номинальным напряжением. Поскольку градиент восстанавливающейся электрической прочности промежутка в кварцевом песке относительно невелик, длина проволоки должна быть велика. Чтобы поместить ее в патроне, приходится навивать проволоку винтообразно.

Характеристики тугоплавких вставок из меди (температура плавления 1080°С) могут быть улучшены напайкой капель олова или свинца, температура плавления которых значительно ниже (соответственно 200 и 327°С). При расплавлении металла напайки он растворяет в себе медь, вследствие чего вставка быстро разрушается при температуре значительно более низкой, чем температура плавления основного материала вставки.

Свойства материала, наполняющего патрон токоограничивающего предохранителя, существенно влияет на работу последнего. Наполнитель должен удовлетворять следующим требованиям:

  • отводить тепло от плавкой вставки в нормальном рабочем режиме;
  • не выделять газа под действием высокой температуры дуги;
  • обладать достаточной электрической прочностью после разрыва цепи.

Как показал опыт, этим требованиям в наибольшей мере отвечает кварцевый песок. Процесс отключения цепи токоограничивающим предохранителем при КЗ протекает следующим образом. При большом токе тонкая проволока плавится и испаряется в течение долей полупериода почти одновременно по всей длине. Зажигается дуга. Вследствие высокой температуры газа в канале дуги образуется местное давление (давление в патроне практически не повышается). Ионизованные частички металла выбрасываются в радиальном направлении в зазоры между песчинками кварца. Здесь они быстро охлаждаются и деионизуются.

Как видно из осциллограммы, напряжение у зажимов предохранителя превышает напряжение сети вследствие появления ЭДС самоиндукции, направленной согласно с напряжением сети. Коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении цепи плавкими предохранителями, не должны превышать следующих значений:

Номинальное напряжение, кВ……3..6..10..20..35

Наибольшее допустимое перенапряжение по отношению к земле, кВ……16..26..40..82..126

Плавкие предохранители с корпусом из стекла и керамики

Для ограничения перенапряжения принимают различные меры: применяют вставки ступенчатого сечения по длине, что затягивает процесс их плавления и удлинения дуги; параллельно основным рабочим вставкам включают вспомогательные вставки с искровым промежутком. В последнем случае при расплавлении рабочих вставок и резком повышении напряжения пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также сгорает. Максимальное напряжение при этом уменьшается.

Конструкция

Современный плавкий предохранитель состоит из двух частей:

  • основание из электроизоляционного материала с металлической резьбой (необходимо для соединения с электрической цепью);
  • сменная вставка, которая плавится.

Основа устройства – вставка, которая сгорает или плавится при коротком замыкании. Для того чтобы погасить дугу, которая образовывается в результате перегорания сменной вставки, устанавливают дугогасящие приспособления.

Выводы вставки соединяются с клеммами таким образом, что предохранитель подключается в линию электрической цепи. Для этого применяют специальные надежные крепежные клеммы (держатели), которые должны обеспечивать хороший контакт. Если его не будет – то в этом месте может возникнуть нагрев.

Особенностью конструкции предохранителей считается то, что устройство сгорает раньше, чем повреждаются другие части механизма. Ведь его легче заменить, чем микросхему или другой компонент оборудования. Поэтому такую деталь и выбирают с тем учетом, чтобы скорость его плавления была больше, чем в проводах линии. Их температура не должна достигнуть опасного уровня, так как это приведет к выходу из строя оборудования.

Конструкция механизма пробочного типа имеет вид патрона, в который вкручивается плавкий предохранитель с цоколем. При возникновении аварийной ситуации перегорает пробка. На сегодня это пробка имеет вид кнопки, похожей на обычный выключатель. Эта кнопка после аварии возвращает устройство в рабочее состояние.

Помимо того, что плавкий компонент защищает электрическую цепь от повреждений, он еще и защищает от пожаров и возгораний. Ведь обычный провод может соприкасаться с горючими материалами в момент возгорания, а деталь сгорает внутри корпуса прибора.

Номиналы устройства подбираются по наименьшим расчетным токам электрической сети или отдельной части электрической цепи. Таблица номиналов предоставлена ниже:

Если необходимо сменить такой компонент на АВ (автоматические выключатели), то их номинал должен быть на шаг больше составляющей части. Например:

О том, как заменить пробки на автоматы своими руками, мы рассказывали в соответствующей статье.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Вот мы и рассмотрели устройство, принцип действия и назначение плавких предохранителей. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Наверняка вы не знаете:

  • Как подключить автоматический выключатель
  • Как определить короткое замыкание
  • Что такое релейная защита
Ссылка на основную публикацию