Виды предохранителей

Электрический предохранитель - электрическая защита электроустановки, электроприемников и электрических сетей от воздействия чрезмерного тока в течение определенного периода времени, заключающаяся в прерывании протекания тока.

Основное назначение предохранителя - прервать прохождение тока, чтобы не приводить к дальнейшим последствиям от токов короткого замыкания и токов перегрузки, таким как пожар, взрыв или поражение электрическим током.

Чем выше сила тока, тем быстрее нагревается и срабатывает предохранитель. Предохранители имеют обратнозависимую время-токовую характеристику, что означает, что чем выше ток, тем меньше времени требуется для его срабатывания.

Любая электрическая система работает на балансе подводимой и потребляемой энергий. Когда в схему электрооборудования подается напряжение, то оно прикладывается к определенному сопротивлению цепи. В итоге на основании закона Ома вырабатывается ток, благодаря действию которого совершается работа. 

При нарушениях изоляции, ошибках монтажа, аварийном режиме сопротивление электрической цепи плавно снижается или резко падает. Это ведет к соответствующему возрастанию тока, который при достижении величины, превышающей номинальное значение, причиняет вред оборудованию и человеку. 

Вопросы безопасности всегда были и будут актуальны при использовании электрической энергии. Поэтому защитным устройствам постоянно придается повышенное внимание. Первые такие конструкции, названные предохранителями, широко используются до настоящего времени.

По применяемому принципу действия и способу разрыва схемы все предохранители подразделяют на 4 группы: 

1. с плавкой вставкой; 

2. электромеханической конструкции; 

3. на основе электронных компонентов; 

4. самовосстанавливающиеся модели с нелинейными обратимыми свойствами после действия сверхтоков. 

Плавкая вставка 

Предохранители этой конструкции имеют в своем составе токопроводящий элемент, который под действием тока с величиной, превышающей номинальное установленное значение, расплавляется от перегрева и испаряется. Этим обеспечивается снятие напряжения со схемы и защита ее. 

Плавкие вставки могут быть изготовлены из металлов, например, меди, свинца, железа, цинка или отдельных сплавов, обладающих таким коэффициентом термического расширения, который обеспечивает защитные свойства электрооборудования. 

Характеристики нагрева и охлаждения проводников для электрооборудования при установившемся рабочем режиме приведены на рисунке.

При разрыве цепи внутри плавкой вставки возникает электрическая дуга. Через нее до момента полного погасания проходит опасный для установки ток, который меняется по характеристике, показанной на рисунке ниже.

Для ускорения работы плавкой вставки при малых кратностях аварийных токов используются специальные технические приемы: 

• создание форм переменного сечения с зонами уменьшенной площади; 

• применением металлургического эффекта. 

На сужениях пластин увеличивается сопротивление и создается большее выделение тепла. В нормальном режиме работы эта энергия успевает равномерно распространиться по всей поверхности, а при перегрузках создаются критические зоны на узких местах. Их температура быстро достигает состояния, при котором металл плавится и разрывает электрическую цепь. 

Для увеличения быстродействия пластины делают из тонкой фольги и применяют их в несколько слоев, включенных параллельно. Перегорание любого участка на одном из слоев ускоряет срабатывание защиты. 

Принцип металлургического эффекта 

Он основан на свойстве отдельных легкоплавких металлов, например, свинца или олова, растворять в своей структуре более тугоплавкие медь, серебро и отдельные сплавы. 

Для этого на многожильные проволочки, из которых делают плавкую вставку, наносят капли олова. При допустимой температуре металла проводов эти добавки не создают никакого эффекта, но в аварийном режиме они быстро расплавляются, растворяют часть основного металла и обеспечивают ускорение срабатывания предохранителя. 

Эффективность этого способа проявляется только на тонких проводниках и значительно снижается при увеличении их поперечного сечения. 

Основной недостаток плавкой вставки состоит в том, что при срабатывании ее необходимо вручную заменять новой. Для этого требуется поддерживать их запас. 

Предохранители электромеханической конструкции 

Принцип врезания защитного устройства в питающий провод и обеспечение его разрыва с целью снятия напряжения позволяет отнести созданные для этого электромеханические изделия к предохранителям. Однако, большинство электриков выделяет их в отдельный класс и называет автоматическими выключателями или сокращенно автоматами.

Предохранители на электронных компонентах 

У этих конструкций функцией защиты электрических схем электронных приборов и устройств занимаются бесконтактные электронные ключи на основе силовых полупроводниковых приборов из диодов, транзисторов или тиристоров. 

Их называют электронными предохранителями (ЭП) или модулями контроля и коммутации тока (МККТ). 

В качестве примера на рисунке представлена структурная схема, показывающая принцип работы предохранителя на транзисторе.

Когда ток через предохранитель начинает превышать допустимое значение, то затвор запирается, а нагрузка отключается. При этом предохранитель переводится на режим самоблокировки. 

Если в схеме электрооборудования используется много МККТ, то возникают трудности с определением сработавшего предохранителя. Для облегчения его поиска введена функция подачи сигнала «Авария», который может фиксироваться загоранием светодиода или срабатыванием твердотельного либо электромеханического реле. 

Такие электронные предохранители отличаются быстродействием, их время срабатывания не превышает 30 миллисекунд. 

Рассмотренная выше схема считается простой, она может быть значительно расширена новыми дополнительными функциями: 

• непрерывного контроля тока в цепи нагрузки с формированием команд на отключение при превышениях тока более 30% номинальной величины; 

• отключения защищаемого участка в случаях возникновения коротких замыканий или перегрузок с выдачей сигнала при увеличении тока в нагрузке выше 10% от установленной уставки; 

• защит силового элемента транзистора при возникновении температур более 100 градусов. 

У таких схем используемые модули МККТ по времени срабатывания делятся на 4 группы. Самые быстродействующие устройства относят к классу «0». Они отключают превышающие уставку токи на 50% за время до 5 мс, на 300% — за 1,5 мс, на 400% — за 10мкс. 

Самовосстанавливающиеся предохранители 

Эти защитные устройства отличаются от плавких вставок тем, что после отключения аварийной нагрузки они сохраняют свою работоспособность для дальнейшего многократного использования. Поэтому их назвали самовосстанавливающимися. 

За основу конструкции взяты полимерные материалы, обладающие положительным температурным коэффициентом для электрического сопротивления. Они обладают кристаллической структурой решетки при обычных, нормальных условиях и резко переходят в аморфное состояние при нагреве. 

Характеристика срабатывания такого предохранителя обычно приводится в форме логарифма сопротивления в зависимости от температуры материала.

Такие предохранители используются в защитных устройствах для ликвидации возникающих многократных перегрузок там, где замена плавкой вставки или ручные действия оператора затруднительны. Это сфера автоматических электронных устройств, широко используемых в компьютерных технологиях, мобильных гаджетах, измерительной и медицинской технике, транспортных средствах. 

На надежную работу самовосстанавливающихся предохранителей оказывает влияние температура окружающей среды и величина протекающего сквозь него тока. Для их учета введены технические термины: 

• ток пропускания, определяемый как максимальное значение при температуре +23 градуса Цельсия, которое не приводит к срабатыванию устройства; 

• ток срабатывания, как минимальная величина, которая при той же температуре приводит к переходу полимера в аморфное состояние; 

• максимальное значение приложенного рабочего напряжения; 

• время срабатывания, измеряемое от момента возникновения аварийного тока до отключения нагрузки; 

• мощность рассеивания, определяющая способность предохранителя при +23 градусах передавать тепло в окружающую среду; 

• первоначальное сопротивление до подключения в работу; 

• сопротивление, достигаемое через 1 час после окончания срабатывания. 

Самовосстанавливающиеся предохранители обладают: 

• небольшими габаритами; 

• быстрым срабатыванием; 

• стабильной работой; 

• комбинированной защитой устройств от превышений токов и перегрева; 

• отсутствием необходимости в обслуживании. 

Разновидности конструкций предохранителей 

В зависимости от задач предохранители создают для работы в цепях: 

• промышленных установок; 

• бытовых электроприборов общего назначения. 

Поскольку они работают в цепях разного напряжения, то корпуса изготавливают с отличительными диэлектрическими свойствами. По этому принципу предохранители подразделяют на конструкции, работающие: 

• с низковольтными устройствами; 

• в цепях до 1000 вольт включительно; 

• в схемах высоковольтного промышленного оборудования. 

К специальным конструкциям относят предохранители: 

• взрывные; 

• пробивные; 

• с погашением дуги при размыкании цепи в узких каналах мелкозернистых наполнителей или образования автогазового либо жидкостного дутья;

• для транспортных средств. 

Ограничиваемый предохранителями аварийный ток может составлять от долей ампера до килоампера. 

Иногда электрики вместо плавкой вставки в корпус устанавливают калиброванную проволоку. Этот способ не рекомендуется применять потому, что даже при точном подборе поперечного сечения электрическое сопротивление проволоки может отличаться от рекомендованного из-за свойств самого металла или сплава. Такой предохранитель не будет точно работать. 

Еще большей ошибкой считается применение самодельных «жучков» наудачу. Они чаще всего бывают причиной несчастий и пожаров, возникающих в электропроводке.