Предохранитель — коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи размыканием или разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определённое значение.
Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает цепь тока при превышении им номинального тока, — тока, на который рассчитан предохранитель.
По принципу действия при разрыве тока в защищаемой цепи предохранители разделяются на четыре класса — плавкие, электромеханические, электронные и использующие нелинейные обратимые свойства по изменению сопротивления после превышения определённого порога силы тока у некоторых проводящих полупроводниковых материалов (самовосстанавливающиеся предохранители).
В плавких предохранителях при превышении тока свыше номинального происходит разрушение токопроводящего элемента предохранителя (расплавление, испарение), традиционно этот процесс называют «перегоранием» или «сгоранием» предохранителя.
Автоматический выключатель защиты сети снабжён датчиками протекающего тока (электромагнитными и/или тепловыми), при превышении тока сверх номинального, разрывают цепь размыканием контактов, обычно, движение контактов на размыкание производится посредством предварительно взведённой пружины.
В электронных предохранителях защищаемую цепь разрывают бесконтактные ключи.
В самовосстанавливающихся предохранителях, при превышении тока, на несколько порядков увеличивается удельное электрическое сопротивление полупроводникового материала токопроводящего элемента предохранителя, что снижает ток цепи, после снятия тока и их охлаждения восстанавливают своё обычное сопротивление.
Под термином электрический предохранитель или, обычно, предохранитель, подразумевается наиболее часто используемый и дешёвый плавкий предохранитель. Его появлению человечество обязано Луи Франсуа Клеману Бреге, который в 1847 году заметил, что небольшие тонкие провода можно использовать для защиты телеграфных установок от молнии, тем самым создав прототип нынешних электрических предохранителей, которые используются практически повсеместноAnton A. Huurdeman The worldwide history of telecommunications page 168..
Предохранители повсеместно используются для защиты любого электрооборудования, например, для исключения перегрева проводов бытовой электрической сети в случае коротких замыканий.
Отсутствие предохранителей или неграмотное их применение может привести к пожару.
Предохранители на принципиальных электрических схемах обозначаются аббревиатурой «FU» (международное обозначение, от — плавить) или «Пр» (графическое изображение в советских и российских стандартах по ЕСКД совпадает с IEEE/ANSI, второй вариант на рисунке). В компьютерном тексте используется символ ⏛ (номер в Юникоде U+23DB, HTML-код ⏛)
Плавкие предохранители
Принципы работы плавкого предохранителя
В плавких предохранителях в качестве разрушаемого экстратоками токопроводящего элемента применяются чистые металлы (медь, цинк, свинец, железо и др.) и некоторые сплавы — (ковар, сталь и др.).
Все чистые металлы и практически все металлические сплавы имеют положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, то есть при повышении температуры сопротивление плавкого элемента увеличивается. Именно положительный температурный коэффициент сопротивления обуславливает защитные свойства плавкого предохранителя. При токах ниже защитного номинального тока тепло, выделяемое в плавком элементе, стационарно рассеивается в окружающую среду. При этом температура плавкого элемента устанавливается немного выше температуры среды. При токах свыше номинального тока в плавком элементе развивается тепловая неустойчивость — повышение температуры ведёт к увеличению активного сопротивления плавкого элемента, что вызывает ещё больший разогрев его, так как мощность на ветви в последовательной электрической цепи есть Повышение сопротивления ведёт к увеличению тепловыделения, тепловыделение повышает температуру, увеличивает сопротивление и тем самым выделяющуюся мощность, что снова увеличивает температуру. При этом процесс развивается лавинообразно — температура плавкого элемента начинает превышать температуру его плавления, что вызывает механическое разрушение плавкого элемента предохранителя и разрыв электрической цепи.
Также важным электрическим параметром плавкого предохранителя, помимо номинального тока, является так называемый параметр защиты, определяемый по время-токовой характеристике.
Экспериментально установлено, что область токов, вызывающих «сгорание» плавкого предохранителя лежит выше линии на графике в декартовых координатах ток — время срабатывания (сгорания, разрыва цепи), уравнение этой линии приближённо удовлетворяет условию
где — ток, — время сгорания, — параметр размерности А2·с, в широком диапазоне изменения токов постоянен.
Таким образом, чем больше ток, тем меньше время «сгорания» плавкого предохранителя. Параметр часто называют «защитным фактором» или «параметром защиты». Приведённое уравнение не выполняется при очень больших токах, так как разлёт и деионизация плазмы в электрической дуге испарившегося защитного плавкого элемента занимает конечное время. Также при малых токах, ниже номинального защитного тока, время «сгорания» бесконечно.
В профессиональных спецификациях на предохранители параметр обычно явно указывается.
Конструкции плавких предохранителей и их держатели Основными элементами предохранителя являются: плавкая вставка (плавкий элемент), корпус, в который устанавливается плавкая вставка и которая может заменяться при перегорании (у предохранителей на малые токи плавкая вставка не сменная, конструкция является одноразовой, и при срабатывании производится замена целиком предохранителя в держателе), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.
Плавкая вставка внутри патрона помещается в специальную дугогасящую среду (например, кварцевый песок), которая при сгорании плавкой вставки интенсивно охлаждает и деионизирует электрическую дугу, не давая выйти плазме наружу через корпус. У некоторых типов предохранителей корпус изготавливается из газогенерирующего материала (например, фибры), под тепловым действием дуги происходит интенсивное газовыделение, образующиеся газы способствуют гашению дуги внутри корпуса.
В предохранителях на малые токи плавкие вставки могут иногда помещаться в среду инертных газов в герметичном корпусе (для исключения окисления плавкой вставки со временем: находящаяся под током плавкая вставка нагревается, и интенсивнее происходит процесс окисления).
Предохранители для защиты полупроводниковых приборов (быстродействующие) имеют дополнительные элементы конструкции для ускорения срабатывания: при этом разрыв электрической цепи внутри предохранителя производится электродинамическими силами и натянутыми пружинами. Ускорение срабатывания предохранителя производится также с использованием металлургического эффекта.
Различается номинальный ток плавкой вставки и номинальный ток патрона (для одного патрона выпускаются несколько номиналов вставок одинакового габарита и на разный ток).
Разновидности предохранителей
Разрушающийся защитный элемент плавкого предохранителя или некоторую сменную конструкцию с этим элементом обычно называют вставкой. Сменная вставка заменяется на новую после её сгорания.
Для защиты электрических цепей устройствами неоднократной защиты экономически целесообразно применять автоматические выключатели — восстанавливающие электрическую цепь манипуляцией (автоматические выключатели).
В слаботочных низковольтных цепях применяются самовосстанавливающиеся предохранители.
Одноразовые предохранители
В электрической цепи плавкий предохранитель является слабым участком электрической цепи, сгорающим при превышении силой тока относительно номинального, тем самым разрывая цепь и предотвращая последующее развитие аварии. По типам плавкие предохранители классифицируются на следующие типы: слаботочные вставки (для защиты электроприборов с невысоким потреблением — до 6 А); 3×15 (первое число означает внешний диаметр в мм, второе — длину вставки в мм); 4×15 типа ВП-1; 5×20 типа ВП-2; 6×32 типа ПК-30, ПЦ-30; 7×15; 10×30; вилочные (для защиты электрических цепей автомобилей); миниатюрные; обычные вилочные; пробковые (применяются в электросетях жилых домов с номинальным током до 63 А); DIAZED (самые распространённые в СССР); NEOZED; ножевые (до 1250 А); типоразмер 000 (до 100 А); типоразмер 00 (до 160 А); типоразмер 0 (до 250 А); типоразмер 1 (до 355 А); типоразмер 2 (до 500 А); типоразмер 3 (до 800 А); типоразмер 4а (до 1250 А); с заполнением кварцевым песком; газогенерирующие.
Также плавкие предохранители различаются по время-токовым характеристикам срабатывания при превышении номинального тока.
Из-за инертности срабатывания плавких предохранителей в профессионально спроектированных сетях они довольно часто используются в качестве селективной защиты и продублированы автоматическими выключателями. Селективности между самими плавкими вставками добиваются соотношением 1:1,6. Время-токовая характеристика плавких предохранителей устанавливается зависимостью соответственно подбором параметра ; ПУЭ регламентируют защиту воздушных проводящих линий таким образом, чтобы предохранитель срабатывал не более чем за 15 секунд (ток короткого замыкания в конце линии должен быть равен трём номинальным токам предохранителя). Существенной величиной является время, за которое происходит разрушение проводника при превышении установленного тока. С целью уменьшения этого времени некоторые плавкие предохранители содержат пружину предварительного натяжения. Эта пружина также быстро разводит концы разрушенной плавкой вставки, сокращая время горения дуги.
Конструкция плавкого предохранителя
плавкая вставка — элемент содержащий разрывную часть электрической цепи (например, проволоку, перегорающую при превышении определённого уровня тока); механизм крепления плавкой вставки к контактам, обеспечивающим включение предохранителя в электрическую цепь и монтаж предохранителя в целом.
Исполнительный механизм плавкого предохранителя
Плавкая вставка предохранителя обычно представляет собой стеклянную или фарфоровую оболочку, на торцах которой расположены контакты. Определённой силе тока срабатывания соответствует определённое поперечное сечение проводника. Если сила тока в цепи превысит максимально допустимое значение, то легкоплавкий проводник перегревается и расплавляется, защищая цепь со всеми её элементами от перегрева и возможного возгорания.
Плавкие вставки используемых в домашнем хозяйстве пробковых предохранителей имеют следующую маркировку (DIN 18015-1): Номинальный ток, А Цвет чеки Максимальная мощностьдля сети 220 В, Вт6Зелёный120010Красный200016Серый320020Синий400026Жёлтый5200
В сильноточных цепях наибольшее распространение получили «кварцевые предохранители» с заполнением кварцевым песком и газогенерирующие предохранители.
В кварцевых предохранителях (типа ПК) корпус заполнен кварцевым песком, и дуга гасится путём удлинения, дробления и соприкосновения с твёрдым диэлектриком.
В газогенерирующих предохранителях для гашения дуги используются твёрдые газогенерирующие материалы (фибра, винипласт и др.). Газогенерирующие предохранители выполняются с выхлопом и без выхлопа газа из корпуса при срабатывании. Предохранители с выхлопом газа из патрона называют также стреляющими (например, ПСН—10 и ПС—35), поскольку срабатывание их сопровождается громким звуком, похожим на оружейный выстрел. Предохранители напряжением свыше выполняются как для внутренней, так и для наружной установки.
Защита в лампах накаливания