Электрические предохранители: виды и принцип действия

Все электрические системы, от простой бытовой розетки до промышленных установок, нуждаются в надежной защите. Среди множества защитных устройств особое место занимают предохранители, которые прерывают ток в цепи, если его значение превышает безопасный уровень в течение определенного времени.

В одной из прошлых статей мы разбирали, как правильно подобрать предохранитель под конкретную задачу. А в этой — изучим принципы работы таких устройств и рассмотрим разнообразие их конструкций.

Для чего нужен предохранитель

Предохранитель предназначен для защиты цепи от токовых перегрузок и короткого замыкания (КЗ). Его основная задача — разорвать цепь при превышении допустимого тока, чтобы предотвратить перегрев, возгорание дорогостоящего оборудования или выход из строя других компонентов системы.

При аварии в цепи ток резко возрастает. Предохранитель реагирует мгновенно: его плавкая вставка нагревается и перегорает, тем самым размыкая цепь. Это позволяет остановить дальнейшее распространение опасного фактора и сохранить работоспособность всей системы.

В отличие от автоматических выключателей, предохранители имеют простую конструкцию и срабатывают быстрее при критических перегрузках. Их применяют в распределительных щитах, трансформаторных подстанциях, промышленном оборудовании и бытовых приборах.

Применение предохранителей помогает продлить срок службы оборудования, увеличить безопасность эксплуатации и снизить риск пожара. Это простой, но эффективный способ защиты, проверенный временем.

Принципы действия разных видов предохранителей

Хотя разные виды предохранителей решают одни и те же задачи, они различаются по принципу своей работы.

Плавкие

Это классический и наиболее распространенный тип предохранителей. Их принцип действия основан на тепловом эффекте электрического тока (закон Джоуля-Ленца, Q=I2Rt).

Основным элементом конструкции служит тонкий проводник или металлическая полоска — плавкая вставка. Ее изготавливают из материала с относительно низкой температурой плавления (например, сплава олова, свинца, цинка, серебра или меди) и точно откалиброванным сечением. Эта вставка помещается в защитный корпус из стекла, керамики или пластика для локализации процесса перегорания и предотвращения разлета расплавленного металла. Часто корпус заполняется дугогасящим материалом, например, кварцевым песком, особенно в высоковольтных или сильноточных предохранителях.

Принцип работы плавких предохранителей заключается в следующем. При протекании нормального рабочего тока вставка слегка нагревается, но этого тепла недостаточно для ее расплавления. Если ток в цепи превышает номинальное значение предохранителя, как бывает при перегрузке или коротком замыкании, количество выделяемого тепла резко возрастает.

Когда температура вставки достигает точки плавления, она быстро расплавляется и испаряется в самой тонкой части, образуя разрыв в цепи. Возникающая при этом электрическая дуга гасится наполнителем (если он есть) или за счет быстрого увеличения расстояния между контактами при испарении металла.

Особенности плавких предохранителей:

• одноразовые — после срабатывания необходимо заменить;
• просты и надежны;
• относительно дешевы

Существуют различные типы таких устройств по скорости срабатывания: быстродействующие и с задержкой времени.

Самовосстанавливающиеся

Также известны как полимерные предохранители с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Состоят из непроводящего кристаллического полимера, смешанного с большим количеством частиц технического углерода (сажи), которые обеспечивают проводимость. Эта смесь заключается между двумя электродами.

Принцип работы предохранителя следующий. В нормальном состоянии при комнатной температуре полимер находится в кристаллической фазе. Частицы углерода плотно прилегают друг к другу, образуя множество проводящих путей. Сопротивление устройства очень низкое (доли Ома), и оно практически не влияет на работу цепи.

При возникновении перегрузки по току выделяющееся тепло нагревает полимер. Когда достигается температура срабатывания, полимер быстро переходит из кристаллического в аморфное состояние и расширяется. В результате увеличивается расстояние между частицами углерода, происходит разрыв проводящих цепочек и резкое увеличение сопротивления устройства.

Высокое сопротивление ограничивает ток в цепи до безопасного, очень низкого уровня. Устройство остается в этом состоянии, пока существует перегрузка.

После устранения причины перегрузки и снятия напряжения или значительного снижения тока устройство остывает. Полимер сжимается, возвращаясь в кристаллическое состояние, частицы углерода снова образуют проводящие пути, и сопротивление возвращается к первоначальному низкому значению. Цепь снова готова к работе.

Особенности самовосстанавливающихся предохранителей:

• многоразовое использование, не требуют замены;
• срабатывают медленнее плавких предохранителей;
• имеют более высокое сопротивление в нормальном состоянии. Часто используются в низковольтных цепях.

Электромеханические

Чаще всего под этим термином понимают автоматические выключатели. Они используют механические системы для размыкания контактов, приводимые в действие тепловыми или электромагнитными расцепителями.

Тепловой расцепитель основан на биметаллической пластине. При перегрузке — длительном протекании тока, превышающего номинальный, — пластина нагревается. Из-за разных коэффициентов теплового расширения двух металлов пластина изгибается и через некоторое время (обратно зависящее от величины тока) воздействует на спусковой механизм, размыкающий контакты.

Электромагнитный расцепитель представляет собой соленоид (катушку), через который протекает ток цепи. При коротком замыкании — резком и значительном увеличении тока — создаваемое магнитное поле становится достаточно сильным, чтобы мгновенно втянуть сердечник. Последний ударяет по рычагу спускового механизма, вызывая почти мгновенное размыкание контактов.

Большинство автоматических выключателей сочетают оба механизма: тепловой  и электромагнитный. При срабатывании одного из расцепителей механизм размыкает силовые контакты, прерывая цепь. Часто имеется система дугогашения для безопасного разрыва цепи при больших токах.

Особенности устройств:

• многоразовые — после срабатывания их можно снова включить вручную;
• более сложные по конструкции и стоят дороже, чем плавкие;
• защищают и от перегрузки, и от короткого замыкания;
• могут служить в качестве выключателя цепи;
• используются в бытовых электрощитах и промышленном оборудовании.

Электронные

Это современные устройства защиты, построенные на полупроводниковых компонентах. Обычно включают в себя силовой ключ, схему измерения тока, например, на основе токоизмерительного резистора или датчика Холла, схему управления и иногда дополнительные цепи защиты — от перенапряжения, пониженного напряжения, обратной полярности.
Электрический предохранитель этого типа имеет следующий принцип действия. Схема измерения непрерывно контролирует ток, протекающий через силовой ключ. Если измеренный ток превышает заданный порог, схема управления быстро посылает сигнал на затвор силового ключа, переводя его в закрытое состояние. Это эффективно прерывает путь для тока. В зависимости от модели электронный предохранитель может оставаться выключенным до повторного включения питания или автоматически перезапускаться.

Особенности таких предохранителей:

• быстрое срабатывание;
• точное ограничение тока;
• возможность программирования некоторых параметров;
• низкое падение напряжения в нормальном режиме;
• компактность.

Маркировка предохранителей

Маркировка на корпусе предохранителя несет важную информацию о его характеристиках и назначении. Умение ее «читать» помогает в выборе подходящей модели.

Основные элементы маркировки

Номинальный ток. Указывает максимальный ток в амперах, который предохранитель может проводить в течение длительного времени без срабатывания — перегорания или размыкания цепи.

Номинальное напряжение. Это максимальное напряжение в вольтах, при котором предохранитель может безопасно прервать ток при срабатывании. Использование предохранителя при напряжении выше номинального может привести к образованию устойчивой электрической дуги и невозможности разорвать цепь. Часто указывается для переменного и/или постоянного тока.

Время-токовая характеристика. Обозначает скорость срабатывания устройства при перегрузке. Указывается буквенным кодом. Первая буква (диапазон отключения — защита от КЗ): g — полный диапазон, защищает от перегрузок и коротких замыканий; a — частичный диапазон, защищает только от КЗ. Вторая буква (класс защищаемого оборудования): G/L — защита кабелей и проводов, общего назначения; M — защита цепей электрических двигателей; R — защита полупроводниковых устройств, быстродействующие; Tr — защита трансформаторов; B — защита горнорудного оборудования; PV — защита фотоэлектрических (солнечных) систем.

Отключающая способность. Предельный ток короткого замыкания в амперах или килоамперах, который предохранитель может безопасно прервать при номинальном напряжении без разрушения.

Типоразмер или стандарт. Указывает на габаритные размеры, форму и/или стандарт, которому соответствует предохранитель. Это важно для совместимости с держателями.
Производитель и серия. Логотип или название производителя и обозначение серии или модели.

Пример расшифровки

Рассмотрим, как выглядит расшифровка обозначения, на примере предохранителей OptiFuse NH:

OptiFuse NH 00 - 100 - gG - УХЛ3

1. Серия — название линейки предохранителей. В данном случае это OptiFuse NH.
2. Габарит вставки — обозначается цифрой (00C, 00, 1, 2, 3), соответствующей размеру плавкой вставки.
3. Номинальный ток — указывается в амперах (A). Возможные значения: от 2 до 630 A в зависимости от габарита предохранителя.
4. Характеристики срабатывания — класс предохранителя по типу защиты. Например, gG — для защиты силовых цепей от токовой перегрузки и короткого замыкания.
5. Климатическое исполнение — согласно ГОСТ 15150. Например, УХЛ3 — для умеренного и холодного климата, категория размещения 3.

КЭАЗ производит широкий ассортимент предохранителей и предлагает надежные решения для защиты любого оборудования. Ознакомиться с нашей продукцией вы можете в каталоге на сайте.

Исправление орфографических ошибок

Если Вы заметили на сайте опечатку или неточность, мы будем признательны, если Вы сообщите об этом.

Выделите текст, который по Вашему мнению содержит ошибку, и нажмите на клавиатуре комбинацию клавиш: Ctrl + Enter