Плавкий предохранитель¶

Плавкий предохранитель — это электрический аппарат, предназначенный для защиты электрической цепи и подключённого к ней оборудования от токов короткого замыкания и длительных перегрузок, превышающих допустимые значения. Принцип действия основан на разрушении (перегорании) специально рассчитанной токоведущей части — плавкой вставки — при протекании тока выше определённого порога, что приводит к размыканию защищаемой цепи.

¶История

Первые прототипы плавких предохранителей появились в конце XIX века, практически одновременно с развитием электрических сетей. Одним из ранних и наиболее известных изобретателей считается Томас Эдисон, который в 1890 году запатентовал конструкцию плавкого предохранителя для защиты своих электрических ламп и распределительных сетей постоянного тока. Ранние предохранители представляли собой отрезок проволоки из легкоплавкого металла, помещённый в стеклянную или керамическую трубку.

С развитием электротехники и ростом мощности энергосистем конструкция предохранителей совершенствовалась. В 1910-х годах появились предохранители с наполнителем (кварцевым песком), которые позволили гасить электрическую дугу, возникающую при перегорании вставки, и увеличить отключающую способность. В XX веке были разработаны специализированные типы предохранителей для высоковольтных линий, силовых трансформаторов и полупроводниковых приборов. Несмотря на появление более совершенных автоматических выключателей, плавкие предохранители остаются широко распространёнными благодаря простоте, низкой стоимости и высокой надёжности.

¶Устройство и принцип действия

¶Конструкция

Основными элементами плавкого предохранителя являются:

• Плавкая вставка — токоведущая часть, выполненная из металла или сплава с определённой температурой плавления (медь, цинк, свинец, серебро, алюминий). Форма вставки (проволока, лента, пластина) и её сечение рассчитываются на номинальный ток.
• Корпус — изолирующая оболочка, которая может быть стеклянной, керамической, фибровой или пластиковой. Корпус защищает окружающие элементы от воздействия электрической дуги и расплавленного металла.
• Наполнитель (в некоторых типах) — кварцевый песок или другое мелкодисперсное вещество, заполняющее корпус. Наполнитель способствует интенсивному охлаждению и гашению электрической дуги.
• Контакты — металлические элементы (колпачки, ножи, резьбовые втулки), обеспечивающие электрическое соединение предохранителя с держателем или патроном.

¶Принцип работы

В нормальном режиме работы ток, протекающий через плавкую вставку, не вызывает её нагрева выше критической температуры. При возникновении короткого замыкания или значительной перегрузки ток резко возрастает, что приводит к интенсивному выделению тепла в плавкой вставке. Когда температура достигает точки плавления материала, вставка расплавляется и испаряется, образуя разрыв цепи. Возникающая при этом электрическая дуга гасится за счёт наполнителя, стенок корпуса или специальных дугогасительных камер. Время срабатывания предохранителя обратно пропорционально току: чем выше ток, тем быстрее перегорает вставка.

¶Классификация

Плавкие предохранители классифицируются по нескольким признакам.

¶По номинальному напряжению

• Низковольтные (до 1000 В переменного тока) — используются в бытовых и промышленных электроустановках.
• Высоковольтные (свыше 1000 В) — применяются в распределительных устройствах, трансформаторных подстанциях и линиях электропередачи.

¶По конструкции и способу установки

• Пробочные — резьбовые предохранители, устанавливаемые в патрон (например, типа ПРС). Широко применялись в бытовых сетях СССР.
• Ножевые — предохранители с плоскими контактами-ножами, вставляемыми в специальные держатели. Распространены в промышленных щитах (типа ПН-2, ППН).
• Трубчатые — цилиндрические предохранители с металлическими колпачками (например, стеклянные для электроники).
• Патронные — предохранители с керамическим корпусом, часто используемые в силовых цепях.
• Автомобильные — миниатюрные предохранители с ножевыми контактами (типа «микро», «мини», «стандарт»).

¶По типу плавкой вставки

• Инерционные — с плавкой вставкой, имеющей тепловую инерцию (например, с цинковым элементом). Выдерживают кратковременные пусковые токи.
• Быстродействующие — с тонкой медной или серебряной вставкой. Срабатывают практически мгновенно при превышении тока. Используются для защиты полупроводниковых приборов.

¶По способу гашения дуги

• С наполнителем (закрытые) — дуга гасится в кварцевом песке.
• Без наполнителя (открытые) — дуга гасится в воздухе или за счёт выделения газов из стенок корпуса (фибровые трубки).

¶Характеристики

Основные параметры плавкого предохранителя:

• Номинальное напряжение (Uн) — максимальное напряжение, при котором предохранитель может надёжно отключать цепь.
• Номинальный ток (Iн) — ток, который предохранитель может длительно пропускать без перегорания.
• Отключающая способность — максимальный ток короткого замыкания, который предохранитель способен разорвать без разрушения корпуса и возникновения устойчивой дуги.
• Время-токовая характеристика — зависимость времени срабатывания от величины протекающего тока. Для бытовых предохранителей обычно указывается в виде графика или таблицы.

¶Применение

Плавкие предохранители находят применение в самых различных областях электротехники и электроники:

• Бытовая техника — защита розеточных цепей, электроплит, стиральных машин, осветительных приборов.
• Промышленность — защита электродвигателей, трансформаторов, конденсаторных батарей, распределительных щитов.
• Автомобильная техника — защита бортовых электрических цепей автомобилей, мотоциклов, тракторов.
• Электроника — защита блоков питания, усилителей, измерительных приборов, компьютерной техники.
• Энергетика — защита высоковольтных линий, силовых трансформаторов, распределительных устройств подстанций.

¶Достоинства и недостатки

¶Достоинства

• Простота конструкции и низкая стоимость.
• Высокая надёжность — отсутствие движущихся частей и сложных механизмов.
• Способность отключать очень большие токи (до сотен килоампер) при правильном выборе.
• Компактность и малые габариты.
• Независимость от внешних условий (вибрация, температура, влажность).

¶Недостатки

• Одноразовость — после срабатывания предохранитель необходимо заменять.
• Необходимость иметь запас предохранителей разных номиналов.
• Возможность неселективной работы — при повреждении в цепи может перегореть предохранитель, расположенный выше по схеме, если его время-токовая характеристика не согласована с нижестоящими.
• Зависимость от температуры окружающей среды — при высокой температуре номинальный ток предохранителя может снижаться.
• Сложность точного подбора для защиты цепей с большими пусковыми токами.

¶Интересные факты

• В СССР и России широкое распространение получили предохранители серии ПН-2 (предохранитель насыпной), которые до сих пор используются в промышленности.
• Для защиты дорогостоящих полупроводниковых приборов (тиристоров, диодов) применяются сверхбыстродействующие предохранители с серебряными плавкими вставками, время срабатывания которых составляет доли миллисекунды.
• В некоторых конструкциях высоковольтных предохранителей используется эффект «токоограничения» — плавкая вставка перегорает до того, как ток короткого замыкания достигнет своего максимального значения.
• Существуют предохранители с индикатором срабатывания — встроенным флажком или светодиодом, сигнализирующим о перегорании.
• В автомобильной промышленности для обозначения номинального тока предохранителей часто используется цветовая маркировка (например, красный — 10 А, синий — 15 А, жёлтый — 20 А).

¶Источники

• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание.
• ГОСТ 17242-86 «Предохранители плавкие силовые низковольтные. Общие технические условия».
• ГОСТ Р 50339.0-92 «Предохранители плавкие низковольтные. Общие требования».
• Китаев В. Е. «Электротехника с основами промышленной электроники». — М.: Высшая школа, 1985.
• Шеховцов В. П. «Электрическое и электромеханическое оборудование». — М.: ФОРУМ, 2010.