Принцип действия предохранителей
Определение и назначение
Плавкий предохранитель — это коммутационный электрический элемент, предназначенный для отключения защищаемой цепи путем расплавления защитного элемента. Изготовляют плавкие элементы из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди. Предназначены для защиты электрооборудования и сетей от токов короткого замыкания и недопустимых длительных перегрузок.
Режимы работы предохранителя
Работа предохранителя протекает в двух резко различающихся режимах: в нормальных условиях; в условиях перегрузок и коротких замыканий.
Первый этап — работа в штатном режиме сети. В нормальных условиях нагрев плавкого элемента имеет характер установившегося процесса, при котором все выделяемое в нем количество теплоты отдается в окружающую среду. При этом, кроме элемента, нагреваются до установившейся темпера туры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений.
Силу тока, на которую рассчитан плавкий элемент для длительной рабо ты, называют номинальной силой тока плавкого элемента (1Ном)- Она может быть отлична от номинальной силы тока самого предохранителя. Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие элементы на раз личные номинальные значения силы тока.
Номинальная сила тока предохранителя, указанная на нем, равна наи большему значению тока плавкого элемента, предназначенного для данной конструкции предохранителя. При номинальной силе тока избыточное ко личество теплоты вследствие теплопроводности материала элемента успева ет распространиться к более широким частям, и весь элемент практически нагревается до одной температуры.
Второй этап — возрастание силы тока в сети. Чтобы значительно сокра тить время плавления вставки при возрастании силы тока, элемент выполняют в виде пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдель ных участках. На этих суженных участках выделяется большее количество теплоты, чем на широких.
При коротком замыкании нагревание суженных участков происходит настолько интенсивно, что отводом количества теплоты практически можно пренебречь Плавкий элемент расплавляется («перегорает») одновременно во всех или в нескольких суженных местах, причем сила тока в цепи при коротком замыкании не успевает достичь установившегося значения.
В момент расплавления элемента в месте разрыва цепи возникает электри ческая дуга. Гашение дуги в современных предохранителях происходит в ограни ченном объеме патрона предохранителя. При этом плавкие предохранители делают такими, чтобы жидкий металл не мог повредить окружающие предметы.
Общее устройство и конструкция
В общем случае современный предохрани тель состоит из двух основных частей: фарфо рового основания с металлической резьбой; сменной плавкой вставки (рис. 21.1).
Плавкая вставка такого предохранителя рассчитана на номинальные токи 10, 16, 20 А. По своей конструкции предохранители могут быть резьбового типа (пробочные) или трубчатые. На рис. 21.2 представлен предохранитель ППТ-10 с плавкой вставкой ВТФ (вставка трубчатая фарфоровая) на 6 или 10 А для установок до 250 В. Основание пластмассовое, крепится к несущей конструкции винтом. Внутри трубки (ВТФ) на ходится сухой кварцевый песок. Трубка уста навливается в отверстие крышки предохраните ля. К основным параметрам предохранителей относятся: номинальный ток; номинальное на пряжение; предельно отключаемый ток.
Принцип действия
Плавкая вставка при протекании по ней тока нагревается. Во время протекания через нее боль шого тока за счет перегрузки или короткого за мыкания она перегорает. Время перегораний пре дохранителей зависит от силы тока, проходящего через нить. Так, при коротком замыкании, пре дохранители перегорают достаточно быстро, и в этом наиболее опасном случае служат простой, дешевой и надежной защитой. Чтобы при перегорании плавкой вставки в предохранителе не проявилось опасное явление элек трической дуги, вставка помещается в фарфоровую трубку.
Пример. Введем в цепь на рис. 21.3 предохраняющий участок длиной 30 мм из медной проволочки диаметром 0,2 мм. Площадь ее поперечного сечения;
Сопротивление предохраняющего участка составляет 0,029 Ом. Затем мысленно выделим участок такой же длины, сопротивление рабочего алюминиевого провода сече нием 2,5 мм2 такой же длины равно 0,00063 Ом. Так как при равных условиях количество теплоты пропорционально сопротивлению, в проволочке предохранителя вы делится в 0,029 : 0,00063 = 46 раз больше теплоты.
Выводы. При длительно допустимом для данного провода токе, он нагревается умерен но, а температура проволочки значительно выше, но она при этом не перегорает. При
Важнейшая характеристика предохраните ля — зависимость времени перегорания плавкого элемента от силы тока — времятоковая характеристика представлена на рис. 21.4.
Достоинства плавких предохранителей
1. Время перегорания предохранителей зави сит от силы тока, проходящего через нить. Так, при коротком замыкании, когда ток очень велик, предохранители перегорают
2. В большинстве плавках предохранителей предусмотрена возможность безопасной заме ны плавкой вставки под напряжением.
1. Если ток в цепи незначительно превышает допустимый, плавкие предохранители плохо выполняют защитную роль.
Примеры. При перегрузках до 30% срок службы проводки заметно сокращается, а предохранители не перегорают. При больших величинах перегрузок (до 50…70%) время перегорания предохранителей составляет от минуты до десятков минут. За это время изоляция перегруженных проводов успевает сильно перегреться.
2. Другим недостатком предохранителей является их повреждаемость.
После перегорания пробку нужно заменять новой (перезаряжать). Для про стоты восстановления в конструкции плавких предохранителей применяют ся сменные калиброванные плавкие вставки.
Предохранители — урок. Физика, 8 класс.
Как можно предотвратить короткое замыкание?
Для того чтобы предотвратить короткое замыкание, в цепях устанавливают специальные устройства — предохранители (рис. 1). Их назначение — отключать электроэнергию в случае, если ток возрастает больше допустимой величины.
Рис. 1
Самые простые предохранители делают из легкоплавкого материала.
Обрати внимание!
Предохранители с плавящимся проводником называют плавкими предохранителями.
Несмотря на огромное количество различных конструкций, все плавкие предохранители работают по одному и тому же принципу — происходит перегорание заключённой внутри корпуса проволочки (рис. 2).
Рис. 2
В случае сильного возрастания тока проволочка практически мгновенно плавится, а цепь размыкается, прерывая ток. Плавкие предохранители являются одноразовыми электроприборами.
Данный вид предохранителей используется до сих пор в очень многих схемах, хотя постепенно их вытесняют автоматические предохранители (рис. 3).
Рис. 3
Обрати внимание!
Действие автоматического предохранителя основано не на плавлении, а на тепловом расширении тел при нагревании.
Автоматические предохранители (пробки), применяемые в квартирной проводке, располагают на специальном щитке, устанавливаемом у самого ввода проводов в квартиру.
Они лучше плавких предохранителей и предназначены выполнять ту же задачу. При этом автоматические пробки не нуждаются в замене.
Для того чтобы после устранения короткого замыкания снова включить электричество, нужно просто нажать на белую кнопку (красная служит для выключения) (рис. 4) или перекинуть вверх опустившийся при срабатывании предохранителя рычажок (см. рис. 3).
Рис. 4
Условное изображение предохранителя на электрических схемах показано на рис. 5.
Рис. 5
Предохранитель включается последовательно с потребителем электрического тока и разрывает цепь тока при превышении его номинального тока, — тока, на который рассчитан предохранитель. Номинальное значение тока указано на предохранителе (рис. 6).
Рис. 6
Например, номинальное значение тока предохранителя, изображённого на рис. 6, равно \(10\) A.
Зачем нужен предохранитель?
Плавкие предохранители имеются в любом автомобиле и во многих моделях электротехники, ведь если возникнет короткое замыкание или перегрузка в электрической сети, то оборудование вполне может выйти из строя.
Главная их функция сводится к размыканию электрической цепи, в тех случаях, если сила тока в ней превышает все допустимые значения.
Значит, предохранители способны предоставить эффективную защиту, как для электрооборудования, так и для проводки.
В случае их использования, риск возгорания и короткого замыкания сводится к нулю.
А главное достоинство предохранителей заключается в том, что стоят они копейки, а оберегают дорогостоящее оборудование.
Если предохранитель выходит из строя, то его замена никак не связана с серьёзными финансовыми вложениями и трудностями установки.
Правда, менять сгоревший предохранитель нужно на его номинальный аналог. Ибо определяющей его характеристикой считается сила тока.
При срабатывании предохранителя, он приходит в негодность, то есть, получается, что он весь электрический удар, возникший в сети, принимает на себя.
Существуют более мощные предохранители, действие которых распространяется не на отдельный электроприбор или малую электросеть.
А на одно или несколько помещений, или даже квартиру.
Сила тока и влияние ее на работу предохранителя
В случаях, когда сила тока имеет действующее значение, превышающее допустимое, то предохранитель срабатывает стопроцентно.
А в цепь каждого отдельно взятого оборудования устанавливается персональный предохранитель, имеющий соответствующий номинал.
Когда в электрическую цепь устанавливается вставка плавкая, рассчитанная на меньшую силу тока, то она способна сработать и при пониженном значении силы тока.
Конечно, такой предохранитель может обеспечить защиту другим устройствам, вот только менять его нужно будет почаще.
А когда устанавливается вставка плавкая, рассчитанная на более высокую силу тока, никто не даст гарантии, что проходящий по цепи ток, может быть выше, чем допускается для устройств.
Значит, эти устройства просто перегорят, а предохранитель не выполнит свою задачу.
Специфика замены предохранителя
Чтобы произвести замену вставки плавкой, нужно сначала выяснить причину её перегорания.
Обычно, столь неприятное явление наблюдается при нарушении целостности проводов или же в результате сбоя работы оборудования.
При неисправностях генератора и электрических сетей перегорание предохранителей также возможно.
Определить, какой именно предохранитель перегорел, очень просто даже без специальных приборов: если есть подозрение, что сгорел какой-то конкретный предохранитель, нужно его просто извлечь из гнезда, а на его место поставить, к примеру, отвёртку.
Как делать не нужно.
Включённое заранее оборудование, нужно отключать в произвольной последовательности.
Если в процессе отключения между гнёздами будет появляться искра, то это укажет, какое именно устройство пришло в негодность.
Но не забудьте, что на отвертке должна быть изоляционная ручка, а на руках у вас должны быть диэлектрические перчатки.
Условия выбора плавких предохранителей
В наше время все большей популярностью пользуются автоматические выключатели (АВ) как иностранных так и отечественных производителей, это в первую очередь связано с тем, что у АВ отсутствуют недостатки предохранителей. Но не смотря на все свои недостатки, предохранители все еще активно используются, так как это наиболее дешевый вариант защиты присоединения.
Например у нас на предприятии, если заказчик не возражает, для защиты двигателей мощностью до 100 кВт, применяются разъединитель-предохранитель, учитывая что короткое замыкание не такое частое явление, предохранитель – это очень хорошее решения для защиты присоединения.
В связи с этим, в этой статье я расскажу как нужно правильно выбирать предохранители с плавкими вставками в соответствии с ПУЭ и другой справочной литературой, чтобы Ваши предохранители срабатывали только при ненормальных режимах работы электроприемников.
При выборе предохранителя, должны выполняться условия:
- номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать напряжению сети:
Uном = Uном.сети (1)
- номинальный ток отключения предохранителя должен быть не меньше максимального тока к.з. в месте установки:
Iном.откл > Iмакс.кз (2)
Условия выбора плавких вставок:
- ток плавкой вставки должен быть больше максимального тока защищаемого присоединения:
Iн.вс. > Iраб.макс. (3)
- при защите одиночного асинхронного двигателя, выбирается ток плавкой вставки с учетом пуска двигателя:
Iн.вс. > Iпуск.дв/k (4)
где:
k – коэффициент, принимается равным 2,5 согласно [Л1. с. 124,125], что соответствует ПУЭ пункт 5.3.56, для электродвигателей с короткозамкнутым ротором при небольшой частоте включений и легких условиях пуска (tп=2-2,5 сек.).
Обычно данный коэффициент принимается для двигателей вентиляторов, насосов, главных приводов металлорежущих станков и механизмов с аналогичным режимом работы.
Для двигателей с тяжелыми условия пуска (tп > 10-20 сек.), например для двигателей мешалок, дробилок, центрифуг, шаровых мельниц и т.п. А также для двигателей с большой частотой включений, т.е. для двигателей кранов и других механизмов повторно-кратковременного режима, коэффициент k принимается равным 1,6 – 2.
Для двигателей с фазным ротором коэффициент k принимается равным 0,8 – 1.
При выборе тока плавкой вставке по условию (4), следует учитывать, что с течением времени защитные свойства вставки ухудшаются, из-за этого есть вероятность ложных сгораний плавкой вставке при пусках двигателей. В результате двигатель может вообще не запуститься, либо работать на 2-х фазах, что приводит к перегреву двигателя.
И если не предусмотрена защита от перегрузки, двигатель может выйти из строя.
Решением данной проблемы, является выбор большего тока плавкой вставки, чем по условию (4), если это допустимо по чувствительности к токам КЗ.
При защите сборки, ток плавкой вставки выбирают по трем условиям:
- по наибольшему длительному току:
- при полной нагрузке сборки и пуске наиболее мощного двигателя:
- при самозапуске двигателей:
где:
k – коэффициент, учитывающий условия пуска двигателя;
— сумма пусковых токов самозапускающих двигателей;
— сумма максимальных рабочих токов электроприемников, кроме двигателя с наибольшим пусковым током Iпуск.макс.;
Для проверки надежного срабатывания предохранителя в конце защищаемой линии, нужно выполнить на кратность тока кз и учитывать время отключения.
В справочной литературе, Вы можете встретить такое утверждение, что для надежного и быстрого перегорания плавкой вставки, требуется чтобы при КЗ в конце защищаемой линии обеспечивалась необходимая кратность тока короткого замыкания, т.е отношение тока короткого замыкания Iкз к номинальному току плавкой вставки Iн.вс.
Данное условие было взято, еще со старого ПУЭ образца 1986 г пункт 1.7.79 ( для невзрывоопасной среды: kкз = Iкз/Iн.вс (kкз >3), данный пункт в ПУЭ 7-издания был изменен, и теперь нужно учитывать время отключения в системе TN, согласно таблицы 1.7.1.
Для взрывоопасной среды, согласно ПУЭ 7-издание пункт 7.3.139, должно выполнятся условие кратности тока кз: kкз = Iкз/Iн.вс (kкз >4). Данный пункт остался без изменения, если сравнивать с ПУЭ 1986 г, что весьма странно, если учитывать что изменился пункт 1.7.79.
Если Вам неизвестны значения пусковых токов двигателя, то в порядке исключений, можно выбрать номинальные токи плавких вставок для двигателей мощность до 100 кВт и частотой пусков не более 10-15 в час следующим образом [Л2. с. 15]:
- при Uн.сети = 500 В Iн.вс = 4,5*Рн;
- при Uн.сети = 380 В Iн.вс = 6*Рн;
- при Uн.сети = 220 В Iн.вс = 10,5*Рн.
После того как Вы выбрали предохранитель, нужно выполнить проверку селективности (избирательности) последовательно включенных между собой предохранителей с учетом защитных характеристик.
Это означает, что при коротком замыкании должна перегореть только та плавка вставка и того предохранителя, который находиться ближе всего к месту повреждения. Как показывает практика, для обеспечения селективности между двумя последовательно включенными предохранителями. Нужно чтобы предохранители между собой отличались на две ступени по шкале номинальных токов. При этом вставки, должны иметь одинаковые защитные характеристики, поэтому нужно выбирать предохранители одного типа.
Вот в принципе и все, что Вам нужно знать про выбор плавких предохранителей, если данной информации Вам не достаточно, рекомендую ознакомится с литературой, которую я использовал при написании данной статьи. В следующей статье, я приведу примеры выбора плавких предохранителей для различных электроприемников.
Литература:
1. А.В. Беляев. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сетях 0,4 кВ. Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988 г. Выпуск 617.
2. Е.Н. Зимин. Защита асинхронных двигателей до 500 В. 1967 г.
3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. 2008г.