Плавкая вставка: материалы для рабочего элемента и типы предохранителей, показатели выбора и применение

Обновлено: 07.05.2024

Плавкий предохранитель — элемент электросети, выполняющий защитную функцию. В отличие от автоматического выключателя после каждого срабатывания он нуждается в замене размыкающей цепь детали. Плавкая вставка, которая сгорает при превышении допустимого значения номинального тока, должна быть выбрана с учетом нагрузки на сеть.

Принцип работы и назначение плавких предохранителей

Внутри вставки предохранителя находится проводник из чистого металла (меди, цинка и пр.) или сплава (стали). Защита цепей основана на физическом свойстве металлов нагреваться при прохождении тока. Многие сплавы обладают и положительным коэффициентом термического сопротивления. Его эффект заключается в следующем:

когда ток ниже номинального значения, предусмотренного для проводника, металл равномерно нагревается, успевая рассеивать тепло, и не перегревается;
большая сила тока приведёт к нагреву проводника, при этом, рассчитанный на определённое значение силы тока предохранитель, разрушится.

На этом свойстве основана расплавление тонкой проволочины, помещенной в электрический предохранитель. В зависимости от сферы применения форма и сечение проводника могут быть разными: от тонкой проволоки в бытовых и автомобильных приборах до толстых пластин, рассчитанных на силу тока в несколько тысяч ампер (А).

Компактная деталь защищает электрическую цепь от перегрузки и короткого замыкания. При превышении допустимого для сети (т. е. номинального) тока происходит разрушение вставки и разрыв цепи. Восстановить её работу можно только после замены элемента. Когда есть дефект в подключенном оборудовании, предохранители сгорают сразу после включения неисправного прибора, позволяя сохранить целостность прибора и указать на наличие проблемы. Если в сети произошло короткое замыкание, защитное устройство срабатывает так же.

Условное графическое обозначение на схеме

Согласно Единой системе конструкторской документации России, на графических схемах электроцепей плавкие предохранители обозначают прямоугольником, внутри которого проходит прямая линия. Её концы соединяются с 2 частями цепи до и после защитного устройства.

В документации к приборам импортного производства можно встретить и другие обозначения:

прямоугольник с отделёнными частями в торцах (стандарт IEC);
волнистая линия (IEEE/ANSI).

Виды и типы плавких предохранителей

Для применения в электроцепях используют разные типы и разновидности ПП. Выпускаемые в России изделия отличаются по типу конструкции:

Понятие наполненности связано с наличием внутри отдельных видов вставок вещества, гасящего электродугу, возникающую в момент перегорания проводника. Цепь будет разомкнута только после её исчезновения. Поэтому в колбах, наполненных ПП, находится кварцевый песок. Ненаполненные способны выделять газы, гасящие дугу. Это происходит при нагреве материала корпуса вставки.

Кроме типов, различают виды ПП:

Слаботочные применяют в маломощных бытовых приборах с потребляемым током силой до 6 А. Это цилиндрические вставки с контактами на торцах.
Вилочные ПП часто ставят в автомобили. Название обусловлено внешним видом: контакты находятся на одной стороне корпуса и вставляются в разъемы, как вилка в розетку.
Пробковые — распространенные в однофазных сетях электрические пробки для счетчика. Номинальный ток таких вставок составляет 63 А, они рассчитаны на единовременное включение нескольких бытовых приборов. Перегорающая вставка в таком предохранителе находится внутри керамического корпуса с патроном, снаружи остается 1 контакт, а другой соединяется с контактами пробки. При превышении нагрузки деталь сгорает, полностью обесточивая квартиру. Восстановить электроснабжение можно, заменив вставку на новую.
Трубчатый ПП по строению напоминает вставку для пробок, но его крепление выполнено между 2 контактами. Тип такого предохранителя — ненаполненный, а корпус сделан из фибры, которая при сильном нагреве выделяет газ.
Ножевые предохранители рассчитаны на величину тока 100-1250 А и применяются в сетях, где нужна высокая нагрузка (например, при подключении прибора с мощным двигателем).
Кварцевые , с наполнением кварцевым песком, применяются в сетях с напряжением до 36 кВ.
Газогенерирующие, разборные и неразборные. При сгорании разновидностей ПСН, ПВТ происходит мощное выделение газа, сопровождающееся хлопком. ПП применяют для сетей с напряжением 35-110 кВ. Номинальный ток такого ПП — до 100А.

В зависимости от общей нагрузки на сеть устанавливают разные виды ПП — более мощные ставят в специальных трансформаторных будках, они могут выдерживать ток, обеспечивающий потребности жилого массива иди предприятия. Маломощные монтируют в счетчиках: они защищают отдельные квартиры. В старых бытовых приборах тоже может быть установлен ПП (слаботочный), но современная техника содержит эти элементы редко.

Выбор плавкой вставки предохранителя

Выбор предохранителей производят с учетом их номиналов, времятоковой характеристики и общей нагрузки на сеть (суммарной мощности всех работающих элементов). Номинальным током ПП называют тот, который плавкая вставка сможет выдержать до разрушения. Эта величина указана на корпусе предохранителя (например, маркировка 63 А для пробковых бытовых предохранителей).

Защита электрических сетей от предельных токов и коротких замыканий осуществляется многими способами, один из них подразумевает использование предохранителя плавкая вставка. Принцип действия основан на использовании в цепи слабого звена, когда при повышении нагрузки разрушается менее стойкий материал, применяемый в качестве рабочего элемента. Термопредохранители отличаются по конструкции, исполнению и выдерживают соответствующую пределу номинала токовую величину.

Материал разрушаемой вставки

Предупреждение аварий в электросетях — назначение плавкого предохранителя, который состоит из корпуса (патрона) с контактным устройством, металлической вставки. Другие конструкции предусматривают использование фибры и заполнение рабочего пространства наполнителем для погашения электрической дуги, образующейся при разрыве цепи. Внутрь трубки или патрона засыпают молотые нерудные минералы — тальк, кварц, мел и другие.

В одном корпусе располагают 1, 2 или 3 стержня с различными токами вставки. Защитные характеристики рабочего элемента зависят от его конструкции и материала:

Легкоплавкие металлы — олово, цинк, алюминий и свинцовые сплавы — обладают низкой теплопроводностью, нагрев стержня происходит медленно, это удобно для защиты от токов перегрузки. Время разрушения вставки смещается, отсечка происходит с временным интервалом.
Тугоплавкие металлы — медь и серебро — имеют низкую теплоёмкость и высокую проводимость, нагрев осуществляется моментально и при большом токе отключения. Сфера применения предохранителей с плавкой вставкой из рабочих элементов, выполненных из медных или серебряных нитей — защита от короткого замыкания.
Комбинированная конструкция с металлургическим эффектом. В середину стержня из тугоплавкого материала напаивают оловянный шарик. Это улучшает защитную характеристику при перегрузках и обеспечивает меньшую температуру плавления по сравнению с основным металлом.

Вставки выполняются в виде массивных пластин, если используются в промышленных сетях с током ≥1000 А, для бытовых приборов применяют тонкие проволоки.

Перегорать защита должна быстрее, чем возрастает нагрузка, поэтому стержню придают особую форму или применяют металлургический эффект. Корпуса для плавких вставок предохранителей изготавливают из прочных сортов специальной керамики — корундо-муллитовой, фарфора, стекла и пластика.

Виды защитных пробок

По схеме исполнения существует два типа предохранителей: разборные с болтовым соединением для замены вставки и неразъёмные в стеклянной колбе для разового применения. В маркировке первых присутствуют буквосочетания ПР, ПП и ПН, вторых — НПН. Термопредохранители для сетей с электроустановками до 1000 В по конструкции разделяют на следующие виды:

Пластинчатые — из одной или нескольких параллельно расположенных проволочек, вмонтированных в плоские наконечники из латуни или меди. Исполнение открытое, при сгорании металл разбрызгивается и создаёт опасность пожара, взрыва. Допущены к использованию только в спецпомещениях — электрощитовых и распределительных устройствах.
Пробочные однополюсные с резьбой предохранители устанавливают для защиты квартирных сетей на электросчётчиках, в осветительных приборах и оберегания маломощных электродвигателей. К ним относят устройства типа Ц, ПД, ПДС.
Трубчатые предохранители названы по форме корпуса, изготавливаемого из фарфора или фибры с расположенной внутри плавкой вставкой. Используют при напряжении до 500 В и токах в диапазоне 15―1000 А. Распространённый тип — ПР.

Перегорание рабочего элемента в термопредохранителе сопровождается образованием электродуги и влечёт распад фибры, обладающей газогенерирующими свойствами. Выделяемые при этом CO2, CO, H2O способствуют подавлению следствия разряда тока.

Предохранители с минеральным наполнителем маркируются буквами КП, МНП и МПР, НПН, ПН.

Существует ещё один тип защитных устройств, которые в полной мере к плавким вставкам не относятся, но принадлежат к термическим — самовосстанавливающиеся предохранители. Принцип их работы основан на резком возрастании сопротивления при повышении температуры, что приводит к обесточиванию. При уменьшении нагрева цепь восстанавливается без замены рабочего элемента. Такой тип защиты используют в цифровой технике и автоматизированных системах управления.

Типоразмеры и применение предохранителей

Для упрощения подбора термопредохранителей к конкретным условиям эксплуатации многие из них маркируют: первая буква кода указывает диапазон защиты — локальная от токов короткого замыкания обозначается символом a. Полный спектр, включая перегрузки — g. Второй знак шифровки относится к сфере применения предохранителя — тип защищаемого оборудования:

B — горное и шахтное;
F — маломощные цепи;
G — универсального использования для трансформаторов, кабелей, электродвигателей;
L — распределительные устройства и вводы магистральных линий;
M — моторы, их контуры и отключатели;
R — полупроводники;
S — приборы, требующие защиты от перегрузок и токов короткого замыкания в одно время;
Tr — трансформаторы.

Применение плавких предохранителей остаётся актуальным при обустройстве цепей с использованием электронной аппаратуры, систем энергоснабжения, промышленных установок и автомобильных схем. В распределительных щитах жилищного фонда времён СССР успешно работают пробковые предохранители — безотказные и надёжные.

Подбирают их по трём основным параметрам: Iп — номинальный ток предохранителя, на него рассчитан патрон; Iвс — предельная величина электротока, при которой происходит плавление вставки; Un — оптимальное рабочее напряжение.

В данной статье описываются основные факторы при выборе предохранителя, на которые следует обращать внимание проектировщику во время создания схем защиты любых электронных устройств. Выполнен расчет плавкой вставки для типовой фильтрующей схемы, и проведен анализ полученных значений.

Безусловным фактом является то, что электрическую схему любого электронного устройства необходимо защищать от различных воздействий: перенапряжений, импульсов высокой амплитуды (электростатический разряд, удар молнии), различных видов помех (синфазных, дифференциальных, перекрестных и т.д.). Один из типовых вариантов схем защиты представлен на рисунке 1. На этой схеме присутствует плавкий предохранитель, защищающий остальную схему от перегрузки по току, TVS-диод, защищающий схему от импульсов высокой амплитуды и перенапряжений, синфазный фильтр для подавления синфазных помех, а также сглаживающий конденсатор малой емкости. Рассмотрим отдельный элемент приведенной схемы - предохранитель.

Рис. 1. Фильтрующая схема

Идея использования плавкой вставки для защиты от коротких замыканий была предложена еще в XIX веке. Первый предохранитель, созданный в 1890 году в лаборатории Эдисона, представлял собой открытую конструкцию на базе лампочки с плавкой вставкой из проволоки. Более привычная для нас форма и концепция сменных защитных компонентов была реализована в 1914 году, когда появились предохранители общего назначения и автомобильные предохранители.

Рядовой пользователь может совершить много ошибок, выбирая предохранитель, ведь он опирается в основном на форм-фактор, рейтинг тока и рабочее напряжение. Однако с точки зрения разработчика все оказывается значительно сложнее, так как предохранители обладают множеством других параметров, которые следует учитывать при проектировании сложного электронного устройства. Рассмотрим набор важных характеристик плавких предохранителей.

Наиболее важной и информативной характеристикой плавкого предохранителя является вовсе не рейтинг тока, а его ампер-секундная характеристика, которая представляет из себя зависимость величины фактического времени срабатывания от ожидаемого постоянного или переменного синусоидального тока. Так, например, на рисунке 2 приведена ампер-секундная характеристика плавких предохранителей серии 438 компании Littelfuse.

Рис. 2. Ампер-секундная характеристика плавких вставок серии 438 Littelfuse

Как видно из графика, предохранитель не является идеальном элементом и имеет существенную инерцию - время его срабатывания зависит от величины тока. В частности, предохранитель с рейтингом тока 0,375 А даже при величине тока 0,9 А сработает только через 10 секунд.

Однако разработчик должен понимать, что инерция и задержка срабатывания предохранителя - это не всегда является недостатком, так как во многих устройствах присутствуют штатные перегрузки по току.

Существует несколько типов плавких предохранителей, которые определяются стандартом ГОСТ Р МЭК 60127-1-2005:

FF - сверхбыстродействующие плавкие вставки;
F - быстродействующие плавкие вставки;
М - полузамедленные плавкие вставки;
Т - замедленные плавкие вставки;
ТТ - сверхзамедленные плавкие вставки.

В дополнении к вышесказанному следует упомянуть, что указываемый производителем рейтинг тока характеризует такой ток через плавкую вставку, который она может выдержать в течение определенного времени.

Недостатком ампер-секундной характеристики является то, что она применима для расчета предохранителя для работы только с постоянным или переменным синусоидальным током, однако во многих приложениях предохранитель защищает цепи, в которых протекают импульсные токи различной формы. Чтобы рассчитать энергию, которая будет выделена на предохранителе, используют интеграл Джоуля или I 2 t.

Интеграл Джоуля (I 2 t) - интеграл квадрата тока за определенный период времени, выраженный в амперах в квадрате в секунду и равен энергии в джоулях, выделяемой на резисторе 1 Ом в цепи, защищаемой плавким предохранителем. Расчет I 2 t является важным параметром при выборе предохранителя. Разберем методику расчета данной характеристики подробнее.

I 2 t рассчитывается исходя из вида импульса и их количества. На рисунке ниже приведены формы импульсов и формулы для расчета I 2 t.

Рис. 3. Расчетные формулы I 2 t для соответствующих видов импульсов

Так, например, рассчитаем I 2 t предохранителя для схемы на рисунке 3. В текущей схеме присутствует три фильтрующих конденсатора. Будем считать, что мы имеем идеальный источник напряжения, не имеющий внутреннего сопротивления. Напряжение питания составляет 75 В. Тогда ток заряда конденсатора в момент времени t будет ограничиваться только омическим сопротивлением предохранителя, и будет равен:

А конкретное значение напряжения на обкладках конденсатора в момент времени t имеет вид:

где t - время; t - постоянная времени для RC-контура.

Как известно t = RC. В нашем случае ограничивающим сопротивлением R является сопротивление предохранителя R_Fuse. Тогда (2) будет иметь вид:

Также считается, что максимальное количество энергии будет выделено за время, равное половине времени импульса. Тогда из (2) получим время полузарядки конденсатора t_0,5:

Подставим (3) в формулу для расчета интеграла джоуля для импульса экспоненциальной формы:

Пользуясь формулой (4) мы можем рассчитать I 2 t для емкостей в схеме, чтобы определить максимальную энергию, которую должен выдержать предохранитель, т.е. значение I 2 t, указанное в документации на плавкую вставку, должно быть больше, чем значение I 2 t для схемы. Применим формулу (4) для схемы на рис.1 и подберем предохранитель.

Читайте также: