Все о плавких предохранителях

Использование онлайн-утилиты от Littelfuse для выбора предохранителя

Littelfuse iDesign Tool – онлайн-утилита, которая максимально упрощает выбор оптимального предохранителя и автоматизирует расчеты запасов по току и I2t. Кроме того, утилита позволяет разработчику задавать произвольную форму импульсов при определении I2t.

Процесс выбора предохранителя разбит на семь шагов.

Шаг 1. Сперва пользователь должен задать начальные условия для расчета: максимальное рабочее напряжение, номинальный ток, предельный ток КЗ, максимальную рабочую температуру (рисунок 5). Утилита также предлагает выбрать область применения предохранителя (телекоммуникации, военная электроника и так далее). К сожалению, в настоящее время специализированные модели предохранителей в онлайн-утилите отсутствуют. При выборе, например, взрывоопасных предохранителей утилита просто перенаправит пользователя на соответствующую страницу сайта, и выбор нужно будет делать вручную.

Рис. 5. Шаг 1. Определение исходных данных и требований

Шаг 2. На втором шаге необходимо выбрать стандарты, требованиям которых должен отвечать предохранитель (рисунок 6).

Рис. 6. Шаг 2. Выбор стандартов

Шаг 3. На этом этапе пользователю предлагается выбрать тип предохранителя: SMD, выводной для пайки в отверстия, для установки в держатель, с радиальными выводами, с аксиальными выводами (рисунок 7). 

Рис. 7. Шаг 3. Выбор типа предохранителя

Шаг 4. С учетом указанных ранее данных и требований программа автоматически подбирает подходящие серии предохранителей. Пользователю необходимо выбрать один из предложенных вариантов (рисунок 8).

Рис. 8. Шаг 4. Выбор серии

Шаг 5. Определение формы и параметров импульсов тока для расчета I2t. В данном случае у пользователя есть целых три варианта. Первый вариант подходит для расчета устойчивости предохранителя к импульсам стандартной формы (рисунок 9).

Рис. 9. Шаг 5. Задание параметров импульсов стандартной формы для расчета I2t

Шаг 6. Второй вариант подразумевает определение формы импульсов произвольной формы по точкам и дальнейший автоматический расчет I2t (рисунок 10).

Рис. 10. Шаг 6. Определение основных требований

Шаг 7. Если же пользователь уже рассчитал значение I2t вручную, то его можно задать напрямую (рисунок 11). 

Рис. 11. Шаг 7. Определение основных требований

Шаг 8. С учетом указанных ранее данных и требований программа автоматически подбирает наиболее подходящие модели предохранителей. Пользователю необходимо выбрать один из предложенных вариантов (рисунок 12).

Рис. 12. Шаг 8. Определение основных требований

Шаг 9. Проверка быстродействия предохранителя (желаемого времени срабатывания) при заданном токе КЗ. На этом этапе программа автоматически строит ампер-секундные характеристики с учетом ранее определенных параметров. Пользователю остается только убедиться, что выбранный предохранитель обладает достаточным быстродействием. При необходимости можно вернуться на несколько шагов назад и без проблем повторить расчеты с другой серией или моделью предохранителя (рисунок 13).

Рис. 13. Шаг 9. Определение основных требований

Общие понятия, знакомство с предохранителями трубчатой конструкции

Наиболее распространенные предохранители это так называемые, трубчатые. Они представляют из себя керамическую или стеклянную трубку с металлическими контактами-чашками с торцов. Эти чашки соединены между собой проволокой, сечение которой, как уже говорилось, определяет номинальный ток предохранителя. Этот ток указывается на трубке или одной из контактных частей предохранителя. Например: F0,5A – это значит, что данный предохранитель рассчитан на ток 0,5 ампера.

На электрических принципиальных схемах предохранитель обозначается прямоугольником с проходящей через него прямой линией. Рядом с условным графическим обозначением указывается его позиционное обозначение, например F1 (F – fuse, предохранитель по-английски); и если это не загромождает схему — номинальный ток, например 100 mA.

Выбор предохранителя

Выбор предохранителя определяется исходными данными и особенностями конкретного приложения :

  • Номинальный ток. Номинальный ток цепи определяет рейтинг тока предохранителя. Чтобы защититься от незапланированных срабатываний, рекомендуют использовать запас по току 25%. Например, если номинальный ток цепи составляет 7,5 А, то, с учетом запаса, следует выбирать предохранитель, ориентируясь на величину тока 10 А.
  • Рабочая температура также сильно влияет на выбор рейтинга тока предохранителя, поэтому для нормальной работы необходимо делать дополнительный запас. Например, если предполагается работа предохранителей серии 438 при температуре 75°С, то запас должен составлять около 15% (см. рисунок 2).

Рассмотрим пример. Допустим, предохранитель серии 438 должен работать при температуре 75°С и номинальном токе 1,5 А. Очевидно, что с учетом пунктов 1 и 2 для нормальной работы будет недостаточно предохранителя с рейтингом 1,5 А. Необходимый рейтинг тока с запасом составляет: 1,5 А/(0,75 × 0,85) ≈ 2,4 А → 2,5 А (наиболее близкий номинал).

  • Рабочее напряжение. Рейтинг напряжения предохранителя должен быть больше, чем максимально возможное напряжение в схеме.
  • Скорость срабатывания. По скорости срабатывания предохранители делятся на пять типов (FF – сверхбыстродействующие, F – быстродействующие, М – полузамедленные, Т – замедленные, ТТ – сверхзамедленные). Выбор конкретного предохранителя следует делать с учетом ампер-секундных характеристик, предоставляемых производителем.
  • Максимальный ток КЗ. Для предотвращения расплавления или взрыва предохранителя необходимо, чтобы его отключающая способность была выше максимального тока КЗ.
  • Требования к габаритам, типоразмеру и способу монтажа. В настоящее время существует широкий выбор предохранителей для поверхностного монтажа, монтажа в отверстия и для установки в специальные держатели. Выбор конкретной серии определяется особенностями каждого конкретного приложения.
  • Соответствие требованиям стандартов. Использование того или иного предохранителя допускается только в том случае, если он сертифицирован и соответствует требованиям установленных стандартов. Кроме группы стандартов ГОСТ Р МЭК 60127, существуют и другие стандарты. Например, для работы в условиях взрывоопасных сред предохранитель должен отвечать положениям ГОСТ 31610.11-2014 (IEC 60079-11:2011) «Взрывоопасные среды. Часть 11. Оборудование с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь «i» (с Поправкой)».
  • Устойчивость к импульсным воздействиям. На этом пункте следует остановиться подробнее.

Этих данных хватит для выбора предохранителя, работающего в цепи с постоянной или переменной синусоидальной токовой нагрузкой, если эта нагрузка не превышает рейтинг тока предохранителя. Однако существует множество приложений, в которых нагрузка носит импульсный характер. Речь идет о пусковых токах и различных переходных процессах. В таких приложениях предохранитель должен выдерживать кратковременные импульсы тока, превышающие его рейтинг тока, и при этом не срабатывать.

Чтобы определить, сработает или не сработает предохранитель при возникновении заданного числа токовых импульсов, используют интеграл Джоуля I2t, который можно рассчитать вручную или с помощью специальных утилит. Рассмотрим каждый из способов отдельно.

Принцип действия плавких предохранителей

Принцип действия одноразовых защитных устройств очень простой. Внутри каждого из них находится калиброванная проволока, соединяющая контакты. Если значение тока не превышает предельно допустимых норм, происходит ее нагрев примерно до 70 градусов. Когда электрический ток превышает установленный номинал, нагрев проволоки существенно увеличивается. При определенной температуре она начинает плавиться, в результате чего происходит разрыв электрической цепи. Перегорание проводка происходит практически мгновенно. Из-за этого предохранители и получили свое название – плавкая вставка.

В разных конструкциях плавкой вставки предохранителя подбирается таким образом, чтобы срабатывание происходило при установленном значении тока. В процессе эксплуатации плавкие предохранители периодически выходят из строя и подлежат замене. Как правило их не ремонтируют, однако многие домашние мастера вполне успешно проводят их реставрацию.

Поскольку перегорает лишь сама проволока, а корпус остается целым, необходимо заменить ее и устройство продолжит выполнять свои функции. Новые технические характеристики зачастую не только не уступают старому прибору, но и во многом превосходят его, поскольку качество ручной сборки всегда выше заводской. Основным условием является правильный выбор материала проводника и расчет его сечения.

Условное графическое обозначение плавкого предохранителя

Условное графическое обозначение плавкого предохранителя на схемах похоже на обозначения сопротивления, и отличается только тем, что через середину прямоугольника линия проходит не разрываясь. Рядом с условным обозначением обычно пишется и буквенное обозначение Пр. или F. Иногда на схемах просто пишут thermal fuse или fuse. После буквы часто указывают ток защиты предохранителя, например F 1 А, обозначает, что в схеме установлен предохранитель на ток защиты 1 ампер.

При эксплуатации предохранители выходят из строя, и их приходится заменять новыми. Считается, что предохранители ремонту не подлежат. Но если к делу ремонта подойти грамотно, то практически любой предохранитель можно с успехом отремонтировать и использовать повторно. Ведь корпус предохранителя остается целым, а перегорает только тонкая калиброванная проволока, размещенная внутри корпуса. Если перегоревшую проволоку заменить на такую же, то предохранитель сможет служить дальше.

Конструкционные особенности

Разъединитель предохранителей и его эквивалентный конкурент

Главным конкурентом плавкого предохранителя является автомат защиты, отличительной чертой которого является простота в использовании.

Недостатки

  • Одноразовые плавкие вставки. В случае срабатывания требуется замена. Существуют самовосстанавливающиеся предохранители, однако стоимость и применимость ограничена.
  • Возможный перекос фаз в трёхфазных цепях и отказ потребителя, при использовании однополюсного аппарата защиты.
  • Избыточное быстродействие. В случае, когда время срабатывания предохранителя менее 1 — 7 миллисекунд, при отключении мощной реактивной индуктивной нагрузки (трансформаторы, двигатели и т.п.) может возникнуть перенапряжение. Превышение напряжения может в 1000 раз превышать номинальное напряжение цепи.
  • Чрезмерное влияние фактора окружающей среды. Плавкая вставка сильно зависит от температуры среды работы аппарата защиты. Окружающая среда (температура, давление и т.п) изменяют время-токовую характеристику срабатывания.
  • Вероятность возникновения стабильного горения дуги. Плавкие вставки без твердого или жидкого наполнителя не всегда обеспечивают гарантированное гашение дуги, возникшей при выгорании проводника плавкой вставки.
  • Специфичные предохранители, большим недостатком которых является конструкция, дающая возможность шунтирования, то есть использования «жучков», приводящих к пожарам.
  • Возможны повреждения вышестоящих защитных предохранителей. В случае, когда система защищена предохранителями разного номинала на различных уровнях, при возникновении аварии (короткого замыкания) и срабатывании предохранителя нижнего уровня, повреждения (оплавления) получает и вышестоящая плавкая вставка. В данной ситуации требуется замена всего каскада плавких вставок.
  • Сложность отстройки селективной защиты. Вследствие неповторимого быстродействия плавких вставок, необходим грамотный выбор предохранителей для обеспечения требуемого уровня селективности. Необходимо исключить возможность одновременного срабатывания аппаратов защиты разных уровней системы.

Преимущества

  • Быстродействие. Предохранители обеспечивают наибольшую скорость срабатывания.
  • Простота конструкции. Из-за более простой конструкции чем у автомата защиты, почти исключена возможность т. н. «поломки механизма».
  • Безотказность. Грамотно выбранный предохранитель в качественном аппарате защиты обеспечивает гарантированное срабатывание и отключение поврежденного элемента. Системы защиты цепи построенные на автоматических выключателях (без использования систем цифровых защит) не могут обеспечить соответствующий уровень защиты.
  • После замены плавкой вставки предохранителя в цепи получается защита с характеристиками, заявленными производителем в отличие от случая с использования автоматического выключателя с подгорающими контактами.

Причины перегорания предохранителей

Начнем с самого важного — с причин перегорания предохранителей. Ведь просто так нечего не происходит и прежде чем ставить «жучек», необходимо определиться с причинами поломки предохранителя. Их может быть несколько:

Их может быть несколько:

Самая банальная и распространенная причина перегорания предохранителя – это короткое замыкание. В результате данного события ток резко возрастает, на что и реагирует плавкая вставка в предохранителе, перегорая.

Так же достаточно частым явлением является перегорание проводника при заклинивании приводного механизма питающей цепи. В этом случае предохранитель действует как защита от перегрузки.

Следующей возможной причиной того что вам потребуется искать провод для предохранителя может быть скачек напряжения. При резком и главное длительном снижении напряжения, ток, согласно закону Ома, пропорционально возрастает. Это может привести к перегоранию предохранителя. При непродолжительных по времени скачках такое происходит крайне редко.

Еще один возможный вариант, это частая работа предохранителя на грани срабатывания. Когда ток, протекающий через него, близок к номинальному, проволока для предохранителей сильно нагревается. Затем остывает, и опять нагревается. Такой режим изменяет структуру металла, из-за чего предохранитель может перегореть при значительно более низких значениях тока.

Именно для исключения таких случаев качественные предохранители выпускают из максимально чистых металлов. У них изменение структуры при частых перепадах температур минимизировано.

Назначение и принцип действия

Основная задача плавких предохранителей – защита электрической сети и электрооборудования от сверхтоков, возникающих при коротком замыкании или в результате критических перегрузок. При этом они обеспечивают бесперебойную работу защищаемых цепей в номинальном режиме.

В отличие от автоматического выключателя, часто применяемого в электротехнике, плавкая вставка срабатывает только один раз, после чего он подлежит замене. Однако срабатывает такое устройство со стопроцентной вероятностью, в то время как автоматика после многократного отключения может подвести. Именно поэтому для защиты дорогостоящего оборудования используют плавкие вставки. Не отказываются от применения этих защитных устройств и в силовых цепях.

Устройство и принцип защиты

В конструкции плавкого предохранителя есть два основных элемента: корпус (держатель) с контактами и плавкую вставку (рисунок 1). Строго говоря, только сочетание этих элементов можно называть предохранителем. Очень часто деталь плавкой вставки (особенно если она заменяемая) называют плавким предохранителем. В данной статье мы тоже иногда будем придерживаться этой традиции.

Рис. 1. Конструкция плавкого предохранителя

Рабочим элементом вставки является проводник из меди или сплава металлов. Благодаря этому плавкому элементу происходят отключения цепи в критических ситуациях.

В качестве плавкого элемента может быть одна или несколько медных проволок, пластина либо фигурная деталь. Эти проводники помещаются в жаропрочный корпус: стеклянный, керамический (рис. 2) или пластиковый. В зависимости от назначения, пространство вокруг плавкого элемента может быть заполнено кварцевым песком или окружено легкоиспаряющимся веществом, предназначенным для гашения электрической дуги.

Рис. 2. Керамические плавкие вставки

При прохождении номинальных токов через проволоку вставки, она незначительно нагревается, не достигая температуры плавления. Но в режиме короткого замыкания резко возрастает величина тока, что приводит к плавлению вставок. Это приводит к разрыву цепи.

Нагревание предохранителя происходит также при перегрузках, то есть в результате превышения номинального напряжения на защищаемом участке цепи. При достижении рабочих напряжений величины, называемой током отключения, температура плавкого элемента возрастает до точки плавления и цепь разрывается. После восстановления параметров цепи плавкую вставку необходимо заменить.

Плавкие вставки имеют некую инерционность срабатывания. При КЗ задержка незаметна, так как в этом случае плавкий элемент нагревается молниеносно.

Иначе обстоит дело в случаях с перегрузками. Для достижения температуры плавления требуется больше времени. Поэтому, чтобы повысить скорость срабатывания, элементам вставок придают специальную форму и нагружают их силами упругости (один конец пластины соединяют с растянутой пружиной).

В некоторых моделях под действием пружины наружу выходит штифт, называемый индикатором срабатывания (рисунок 3). Он выступает в роли указателя срабатывания и свидетельствует о том, что вставку надо менять.

Рис. 3. Строение плавкой вставки

Цифрами на рисунке обозначено:

  • I – патрон;
  • 2 – плавкая пластина;
  • 3 – шарики из олова;
  • 4 – плавкая вставка;
  • 5 – кварцевый песок;
  • 6 – пружина;
  • 7 – текстолитовая шайба;
  • 8 – спусковой механизм указателя срабатывания;
  • 9 – колпачок;
  • 10 – ободок колпачка;
  • 11 – указатель срабатывания;
  • 12 – асбоцементная прокладка;
  • 13 – цементная заливка.

В ряде случаев для увеличения скорости срабатывания используют вставки с параллельно натянутыми проволоками разных диаметров. Перегорание самой тонкой проволоки увеличивает нагрузку на остальные элементы, ускоряя их плавление.

С целью снижения перенапряжений в некоторых конструкциях вставок применяют проволоки с разными сечениями отдельных участков. При срабатывании такого предохранителя, первым перегорает участок с наименьшим сечением вставки. Если пары расплавленного металла спровоцируют в точке разрыва электрическую дугу, то перегорит участок с большим сечением.

Конструктивные особенности предохранителей можно узнать по их маркировке. К сожалению, время-токовые характеристики наносятся не на все типы изделий. Но модели, на которые нанесены буквенно-цифровые коды, можно легко классифицировать по их назначению.

Полупроводниковые приборы

Из-за развития полупроводникового оборудования возникла дополнительная проблема. Никакое устройство, работающее по механическому принципу, не может вовремя отключить подачу электричества. Это касается и плавких предохранителей. В современной технике довольно часто применяются диоды и транзисторы. Такие приборы можно перегружать только несколько десятков миллисекунд. После превышения этого порога оборудование выйдет из строя.

Полупроводниковые предохранители предназначены для того, чтобы минимизировать пагубное воздействие перегрузок на электронику в инверторах, преобразователях, а также различных устройствах с плавным пуском.

Такие предохранители перегреваются значительно быстрее, чем плавкие металлы. Но у них есть и недостаток. Во время срабатывания такая защита не может гарантировать разъединение цепи. Подача электричества на устройство прекращается, но не до конца. Поэтому необходимо в комплексе применять ещё и автоматический выключатель. Он монтируется перед полупроводниковым предохранителем.

Высоковольтные предохранители

Использование защиты для электрических установок с высоким напряжением позволяет значительно упростить и снизить стоимость конструкции. В качестве альтернативы могут применяться релейные устройства. Но это намного дороже, чем монтаж предохранителя. На высоковольтных установках к быстродействию предохранителей предъявляют очень высокие требования. Чтобы они срабатывали быстрее, металлический элемент соединяется с пружиной. В корпус помещают кварцевый песок.

Когда плавкая вставка перегорает, пружина отпускается и быстро сокращается. Это в короткие сроки увеличивает длину дуги. Так процесс гашения ускоряется в несколько раз. Также обязательным элементом в конструкции является узел, который осуществляет контроль исправности. Когда на низковольтных предохранителях осуществляется проверка, просто берётся индикатор или тестер. Проверить работоспособность высоковольтного предохранителя таким способом не выйдет. Возле него нельзя находиться близко, а указатели напряжения не могут дать корректные результаты.

Также существует ещё одна проблема в сетях, показатели которых превышают 1000 В. Она заключается в том, что появляется неполнофазный режим, когда происходит расплавление элемента на одной фазе. Трансформаторы остаются работать на двух фазах. При этом выдаётся несимметричное напряжение, которое способно привести в негодность электроприборы потребителей.

Чтобы такой проблемы не возникало, применяют специальные предохранители, в конструкции которых есть бойки на каком-либо торце. Этот элемент находится на напряжённой пружине. Он освобождается в то же время, когда перегорает вставка. Эти устройства дополнены отключающими планками. В работающем состоянии контакты удерживаются специальной защёлкой. Благодаря отключающей планке во время удара она выбивается. Такая система отбрасывает контакт в отключённое положение.

Проверка предохранителя, индикатор неисправности предохранителя

Проверить плавкую вставку можно любой «прозвонкой» или тестером. Задача состоит в том, чтобы убедиться, что цепь предохранителя цела и способна проводить электрический ток.

Проверять предохранитель, во избежание поражения электрическим током, допускается только при отключенном электроприборе!

Кроме этого можно купить или самостоятельно изготовить индикатор перегорания предохранителя, который уведомит вас о том, что предохранитель перегорел.

Схема такого устройства чрезвычайно проста и представлена на следующем рисунке.

В параллель к контактам предохранителя, через токоограничивающий резистор R1 и диод VD1, для защиты от обратного напряжения, подключается светодиод HL1. Диод VD1 должен быть подобран из расчета обратного напряжения, превышающего сетевое. Для сети 220 В обратное напряжение для диода VD1 должно быть не менее 300 В, таким требованиям отвечает например диод 1N4004 или отечественный КД109Б.

Индикатор не светится, если предохранитель исправен, и светится в случае его перегорания.

Такой схемой очень удобно дополнять блоки питания собственного изготовления.

Немного изменив (упростив) схему можно получить индикатор перегорания предохранителя на неоновой лампе, хотя она и не так эффективно смотрится как светодиод.

Устройство автомата

Как подключить автоматический выключатель

Бытовой автоматический предохранитель содержит две защиты – тепловую и электромагнитную. Тепловой расцепитель для защиты от перегрузок – это пластина из биметалла, через которую проходит электрический ток и нагревает ее. При достижении током пороговой величины пластина деформируется так, что воздействует на отключение электрического контакта. В зависимости от перегрузки, время срабатывания может быть длительным. Минимальный ток отключения зависит от типа автомата и составляет не менее 1,3 от номинальной величины. После остывания пластины устройство снова готово к использованию.


Схема устройства автоматического выключателя

Со временем параметры автоматического выключателя могут измениться из-за износа контактов.

Электромагнитный расцепитель является защитой от КЗ. Механизм расцепления в устройстве всего один, но приводится в действие по-разному. При КЗ величина тока значительно выше номинального и биметаллическая пластина может разрушиться. Поэтому требуется мгновенное размыкание контактов, которое производит электромагнит. Импульс тока проходит через катушку и за счет электромагнитной индукции приводит в действие подвижный сердечник, освобождающий пружину расцепителя.

При коротком замыкании отключение автомата вызывает появление электрической дуги, которая принудительно гасится в дугогасительной камере.

Автомат можно использовать как обычный выключатель нагрузки. Обычно для этого стараются применять реле напряжения, имеющее более мощные контакты.

Выводы

Сравнение ассортимента компаний Siemens, Eaton и ETI, представленных на российском рынке, показывает, что все три компании производят наиболее распространенные типы плавких вставок (цилиндрическая, с ножевыми контактами) и основы для них. У Siemens есть уникальная серия плавких вставок и держателей SITOR, оптимизированная для защиты полупроводниковых элементов. Аналогов этой серии у двух других компаний нет.

Представляют интерес держатели-разъединители Eaton на DIN-рейку, которые сделаны максимально удобными в использовании. Плавкие вставки D0 в картриджах и наглядная светодиодная система индикации срабатывания упрощают обслуживание предохранителей и позволяют рекомендовать их для установки у конечных потребителей.

ETI, в отличие от других компаний, указанных в обзоре, не отказывается о выпуска проверенной временем классики — держателей с резьбовым креплением («пробок»), сделав их более удобными благодаря применению современных материалов. Другой особенностью продукции ETI является наличие мощных плавких вставок с ножевыми контактами, предназначенных для защиты трансформаторов. Для цилиндрических плавких вставок ETI предлагает держатели-разъединители простой, но удобной конструкции. Большой интерес представляет линейка сверхбыстрых предохранителей Ultra Quick, которые имеют высокие технические характеристики при низкой цене. Благодаря плавкому элементу из серебра, обеспечивается высокая стабильность временных параметров.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий