Библиотека

Предохранитель – это аппарат, который путем расплавления одной или нескольких специально спроектированных деталей размыкает цепь, в которой он установлен, выключая ток, превышающий заданное значение в течение обусловленного времени. Таким образом, предохранитель осуществляет защиту электрических сетей и оборудования от перегрузок и коротких замыканий, обеспечивая, при определенных условиях, эффект токоограничения.

По своему назначению (категорией применения) различают предохранители, предназначенные для защиты распределительных сетей (предохранители этой категории обозначают литерами G или L), предохранители, предназначенные для защиты полупроводниковых устройств (обозначаются литерой R), предохранители, предназначенные для защиты цепей с электродвигателями (обозначаются литерой M). При правильно выполненной системе заземления электрооборудования, предохранители обеспечивают защиту людей и животных от непрямых прикосновений.

Так как процесс нагревания проводников электросетей является достаточно инерционным, предохранители категории G или L должны отключать цепь со сверхтоком не сразу при его появлении, а через определенный промежуток времени, продолжительность которого определяется в зависимости от уровня сверхтока. Таким образом, эти предохранители не прекращают питание нагрузок при случайных кратковременных сверхтоках, которые являются безопасными для сетей и не перерывают технологический процесс, связанный с такими сверхтоками. Так же действуют и предохранители категории М. Вставки предохранителей категории R должны действовать очень быстро, поэтому их называют также быстродействующими.

Основными количественными характеристиками предохранителя являются: номинальное напряжение, номинальный ток (устанавливается отдельно для держателей и вставок, причем характеристики держателей должны поглощать соответствующие характеристики вставок, предназначенных для установки на них), а также номинальная способность к выключению, т.е. значение ожидаемого тока, который вставка предохранителя способна отключить при заданном напряжении и некоторых других приписанных условиях. Для вставок очень важным является такой показатель, как диапазон отключения, т.е. диапазон ожидаемых токов, в пределах которого обеспечивается способность к выключению вставки. Если вставка способна отключать все токи, которые расплавляют плавкий элемент аж до номинальной способности к выключению, она обозначается литерой g, а если только в части этого диапазона – литерой а. Вставки g обеспечивают защиту оборудования только как от коротких замыканий, так и от перегрузок. Вставки а обычно обеспечивают защиту только от коротких замыканий. Диапазон отключения и категорию применения принято называть классом предохранителя. Например, предохранитель класса gG предназначены для защиты сетей от перегрузки и коротких замыканий, а предохранители класса аR предназначены для защиты полупроводниковых устройств только от коротких замыканий.

Важной защитной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика – кривая, которая показывает зависимость времени, например, преддугового времени или времени срабатывания, от ожидаемого тока при заданных условиях работы. Время срабатывания складывается из преддугового времени, т.е. промежутком между моментом возникновения сверхтока и моментом начала плавления плавкого элемента и времени горения дуги, которая возникает после плавления плавкого элемента. Так как времятоковые характеристики имеют значительный разброс, производители в технической документации для каждого значения номинального тока предохранителя определенного типоразмера приводят так называемую времятоковую зону – область, ограниченную минимальной преддуговой времятоковой характеристикой и максимальной времятоковой характеристикой срабатывания при определенных условиях. Времятоковая характеристика предохранителя должна размещаться ниже характеристики повреждения объекта защиты, т.е. зависимости времени выхода из строя этого объекта от ожидаемого тока (рис. 1).

Согласно требованиям стандарта ІЕС60269-1 у предохранителей категории G с номинальным током In расплавление плавкого элемента не должно происходить на протяжении условного времени при токе 1,25In (условный ток нерасплавления), а при токе 1,6In (условный ток расплавления) расплавление должно происходить обязательно не протяжении того же времени. Значение условного времени определено в ІЕС60269-1 в зависимости от номинального тока и может составлять от одного до четырех часов. В частности, при In=100 А указанное условное время составляет два часа, поэтому сверху времятоковая зона ограничена временем 7200 с (рис. 1).

Различают предохранители для эксплуатации неквалифицированными лицами или предохранители для эксплуатации допущенными (квалифицированными или инструктированными) лицами. У предохранителей первой группы (их также называют предохранителями бытового или аналогичного назначения) опасные токопроводящие части в рабочем состоянии закрыты изоляционными деталями, что делает эти аппараты относительно безопасными, даже если их эксплуатацию осуществляют неквалифицированные лица.

У предохранителей второй группы (их также называют предохранителями промышленного назначения) опасные токопроводящие части являются открытыми и доступными для прямого прикосновения, поэтому их всегда монтируют в закрытых металлических шкафах. Отечественные предохранители промышленного назначения серии ПН2 (рис. 2) имеют четыре типоразмера, которые охватывают диапазон номинальных токов от 31,5 А до 630 А при номинальном напряжении 380 В. Способность к отключению коротких замыканий у предохранителей ПН2-100 (наименьший габарит) составляет 100 кА, у ПН2-600 (наибольший габарит) – 40 кА. Отечественные предохранители для бытовых и аналогичных электроустановок серии ПРС также имеют четыре типоразмера, которые охватывают диапазон номинальных токов от 1 до 100А при номинальном напряжении 380 В. Способность к отключению коротких замыканий у предохранителей ПРС составляет 15…20 кА.

Современные предохранители промышленного назначения европейской системы NH (рис. 3) охватывают диапазон номинальных токов от 2 А до 1600 А при номинальном напряжении 500 В и 690 В. Способность к отключению этих предохранителей достигает 160 кА. В сравнении с ПН2 предохранители системы NH при одинаковых номиналах имеют меньшие размеры и более экономичны – рассеиваемая мощность во вставках предохранителей системы NH примерно на 30…40% меньше чем у вставок ПН2.

Плавкие элементы предохранителей промышленного назначения сейчас производят из меди, хотя раньше существовало соображение, что медь, вследствие ее склонности к окислению при высоких температурах (более 300°С), не может обеспечить стабильность времятоковых характеристик. Для плавких элементов применялся цинк и другие относительно легкоплавкие элементы, не склонные к окислению.

Применение меди для плавких элементов предохранителей началось в середине ХХ века, когда был открыт так называемый металлургический эффект (m-эффект), который проявлялся в растворении меди в расплавленном легкоплавком металле. Плавкие элементы предохранителей изготавливают из тонких (толщиной порядка 0,1 мм) пластин с отверстиями разных форм (рис. 4а), которые разбивают плавкий элемент на последовательные и параллельные участки. Промежутки между отверстиями называют перешейками, а участки без отверстий – широкой частью. Вблизи одного из рядов отверстий размещают канавку, заполненную легкоплавкой компонентой – металлургическим растворителем (олово и его сплавы и т.п.). при номинальном токе температура медного плавкого элемента для предотвращения окислению не должна превышать 150 ... 200°С, а поскольку температура меди составляет 1083°С, срабатывание предохранителя без металлургического растворителя происходит при токе, в 2..3 разы превышающим номинальное значение. При наличии металлургического растворителя, когда при токе, который превышает номинальное значение в 1,3…1,6 раза, температура плавкого элемента достигает температуры плавления растворителя (обычно это 200 ... 250°С), последний расплавляется, поднимается к перешейкам, растворяет их, вследствие чего перешейки расплавляются, на них возникает дуга, и предохранитель срабатывает. Значит, предохранители с медным плавким элементом без металлургического эффекта не способен осуществлять защиту в зоне перегрузок, а может обеспечить только защиту в зоне коротких замыканий (диапазон отключения а). Предохранители с металлургическим эффектом способны осуществлять защиту не только в зоне коротких замыканий, но и в зоне перегрузок (диапазон отключения g).

Современные предохранители для бытовых и аналогичных электроустановок европейских систем D, D0 и цилиндрические вставки (рис. 5) охватывают диапазон номинальных токов от 2 А до 100 А при номинальном напряжении 400 В (система D0) и 500В (система D и цилиндрические вставки). Способность к отключению коротких замыканий у этих предохранителей достигает 40…50 кА (системы D и D0) и 120 кА (цилиндрические вставки).

Предохранители системы D0 предназначены только для защиты электропроводок(класс gG), цилиндрические вставки, которые применяются в комбинациях с коммутационными аппаратами, предназначены для защиты электропроводок и цепей с электродвигателями (классы gG и аМ), а предохранители системы D обеспечивают также защиту полупроводниковых устройств и охватывают все основные классы - gG, aR и аМ.

Предохранители, предназначенные для защиты полупроводниковых устройств, обычно не имеют основы и держателей и закрепляются на шинопроводах с помощью болтов через отверстия на выводах (рис. 6). Плавкие элементы этих предохранителей изготавливают из чистого серебра, металлургический эффект в них не применяют. Несмотря на это они обеспечивают как диапазон а, так и диапазон g.

Быстродействующие предохранители оснащают специальными устройствами – ударниками. При срабатывании предохранителя ударник влияет на акктуатор размещенного рядом коммутационного аппарата цепей управления, который передает сигнал о срабатывании вставки на пульт оператора или обеспечивает исполнение определенных автоматических действий. Быстродействующие предохранители, в отличие от любых других аппаратов, обеспечивают надежную защиту выпрямителей от внутренних коротких замыканий (рис. 7), когда поврежденный вентиль начинает проводить ток а обоих направлениях, вследствие чего возникает ток короткого замыкания в вентилях соседних плеч моста. Предохранители, размещенные последовательно с теми вентилями, не способны их защитить, но выходу их из строя мешает предохранитель, размещенный последовательно с поврежденным вентилем. Через этот предохранитель течет значительно больший ток, поэтому срабатывает именно он, разрывая цепь короткого замыкания.

Для защиты радиоэлектронных устройств применяют миниатюрные предохранители, вставки которых имеют как минимум один размер, который не превышает 10 мм (рис. 8а) и субминиатюрные вставки, ни один из размеров которых не превышает 10 мм (рис. 8б), с номинальными токами от 2 мА до 10 А (номинальное напряжение 250 В) и способность к отключению от 35 А до 1,5 кА.