Запобіжник

У цій статті пояснюється, що таке запобіжники та для чого вони використовуються. Крім того, ви дізнаєтеся про основні характеристики запобіжників та про те, які бувають типи запобіжників.

Що таке запобіжник?

Запобіжник — це захисний пристрій в електричному ланцюзі, який перегорає, коли сила струму перевищує певну межу. Іншими словами, запобіжник – це прилад, який використовується для захисту елементів електричного кола від перевантажень або коротких замикань.

Таким чином, функція запобіжника полягає у запобіганні пошкодженню інших компонентів ланцюга у разі електричного навантаження. Таким чином, у разі перевантаження або короткого замикання запобіжник перегорає і, отже, переривається подача електричного струму. Таким чином, захищаються інші елементи схеми.

Запобіжники зазвичай виготовляються з нитки з металу або сплаву, що має низьку температуру плавлення, і це частина запобіжника, яка плавиться і перериває подачу струму у разі електричного навантаження.

Електронний символ, що зазвичай використовується для позначення запобіжника, є прямокутником з двома вертикальними смугами, розташованими дуже близько до його кінців, але є ще два варіанти, які також часто використовуються. Нижче ви можете побачити різні символи запобіжників:

Характеристики запобіжника

Тепер, коли ми знаємо визначення запобіжника, давайте подивимося, які параметри запобіжника необхідно знати для правильного функціонування.

• Номінальний струм : сила електричного струму, на який розраховано запобіжник.Це максимальний струм, який може протікати через запобіжник без розмикання ланцюга.
• Номінальна напруга : також зване робочою напругою, це напруга, на яку розрахований запобіжник.
• Вимикаюча здатність : максимальна сила струму, яку запобіжник може витримати без руйнування. Таким чином, це максимальне значення електричного струму, за якого можна безпечно відключити запобіжник.
• Крива плавлення : показує взаємозв'язок між силою струму і часом, необхідним нагрівання запобіжника до точки плавлення.

Типи запобіжників

Існує безліч критеріїв класифікації різних типів запобіжників: за формою, за матеріалом, максимальною підтримуваною напругою і т. д. Однак ви повинні знати, що існують певні запобіжники, які можна використовувати повторно.

• Одноразовий запобіжник . Цей тип запобіжника є одноразовим, оскільки під час використання внутрішня нитка плавиться. Тому при виникненні електричного навантаження запобіжник необхідно замінити.
• Запобіжник, що відновлюється. : також званий самовідновлюваним запобіжником . Це тип запобіжника, який можна використовувати більше одного разу. За наявності надлишкового струму запобіжник нагрівається і збільшує опір, тим самим перешкоджаючи проходженню струму. Потім, у міру зменшення сили струму, запобіжник остигає та повертається у вихідний низькоомний стан.
• Smart Fuse – цей тип запобіжника є сумішшю двох попередніх запобіжників. Це запобіжник, що дозволяє повторно використовувати невикористану частину запобіжника.

Як працює запобіжник?

Дія запобіжника заснований на ефекті Джоуля. Якщо інтенсивність електричного струму досягне дуже високого значення, виділиться велика кількість тепла і, отже, запобіжник перегорить і перерве подачу струму.

Закон Джоуля (або ефект Джоуля) каже нам, що провідник виділяє теплову енергію, коли через нього проходить електричний струм. Це пов'язано з тим, що тепло, що виділяється струмом, прямо пропорційно квадрату сили струму, тому невелике збільшення інтенсивності призводить до значного збільшення тепла, що виділяється.

Таким чином, оскільки нитка всередині запобіжника зазвичай має нижчу температуру плавлення, ніж інші елементи електричного ланцюга, вона буде першим елементом, який плавиться у разі надтоку.

Щоб забезпечити правильну роботу запобіжника, важливо розмістити пристрій у найслабшому місці ланцюга, тобто там, де сила струму зазвичай вища. Тому що якщо навантаження відбудеться в місці, де немає запобіжника, пристрій виявиться марним.

термічний синтез

У цьому розділі ми побачимо, з чого складається запобіжник, оскільки він є різновидом звичайного запобіжника.

Термозапобіжник – Це тип запобіжника, який захищає елементи ланцюга у разі перегріву. Тому термозапобіжник перегорає і не пропускає електрику, коли температура ланцюга перевищує допустиму межу.

Таким чином, запобіжник термоподібний класичному запобіжнику, але захищає електричний ланцюг від сильного підвищення температури, з іншого боку, класичний запобіжник захищає ланцюг від збільшення сили електричного струму.

Ці типи запобіжників дуже корисні для встановлення електричних ланцюгів, які можуть нагріватися не тільки через проходження електричного струму (ефект Джоуля), але й через інші фактори, такі як вплив сонця або близькість до двигуна.

Як змінити запобіжник

Нарешті, ми залишаємо вам відео, в якому показано, як замінити запобіжник, якщо вам це знадобиться.

Електричний запобіжник – це комутаційний пристрій, який призначений для захисту елементів електроустановок від перевантажень та коротких замикань шляхом розмикання електричного кола.

Принцип роботи та пристрій

Розглянемо пристрій і принцип роботи плавкого запобіжника, оскільки він є найбільш популярним. Причини його популярності – безпека, надійність, простота використання та низька ціна. Виріб складається з двох основних елементів: плавкою вставки та підстави для її кріплення із затискачем для підключення до електричного ланцюга. Призначення вставки – розмикання електричного ланцюга під час навантаження. Зазвичай вона виконується у вигляді корпусу, усередині якого знаходиться плавкий елемент – провідник струму із заданим перетином. Деталі для великих потужностей доповнюються наповнювачем для гасіння електричної дуги. Також вставка оснащується утримувачем, який з'єднується з основою запобіжника. У нормальних умовах (коли немає перевантажень та коротких замикань) запобіжник, включений в електричний ланцюг, у робочому режимі пропускає струм, що протікає по ньому. Він нагрівається, але тепло розсіюється, не деформуючи елемент.Коли значення струму починають перевершувати задані параметри, плавкий елемент нагрівається і плавиться або випаровується повністю (при сильному збільшенні температури). Відбувається розрив ланцюга та струм із некондиційними значеннями перестає надходити до електричного обладнання, захищаючи його від поломки та перешкоджаючи займанню проводки. Матеріал плавкого елемента підбирається з урахуванням сили струму, яку він повинен сприймати нормально, і сили струму, коли має відбуватися розрив ланцюга. У простих запобіжниках частини розплавленого дроту відокремлюються одна від одної під дією сили тяжіння. Але при використанні пристроїв для потужних енергоустановок застосовується пружина чи вантаж. Ускладнювачі сприяють швидкому відділенню частин дроту один від одного, що виключає утворення електричної дуги (яка, маючи високу температуру, може призвести до опіку). Після руйнування плавкою вставки відновлення роботи електричного ланцюга (з подачею по ньому електричного струму) можливе лише після встановлення нового запобіжника.

Основні робочі електричні характеристики

Розглянемо, які показники потрібно враховувати під час купівлі запобіжного елемента.

Час-струмова (ампер-секундна) характеристика

Цей параметр є найважливішим при виборі запобіжника. Він відображає час спрацьовування вставки під час перевантаження або короткого замикання. Математично це відношення часу плавлення вставки до сили струму, що протікає через неї. Показник показує, що швидкість спрацьовування залежить від сили струму, що впливає на елемент. Тобто чим вище навантаження, тим швидше розплавиться вставка.Згідно з ГОСТ Р МЕК 60127-1-2005, за типом частокової характеристики запобіжні вставки бувають надшвидкими FF, швидкодіючими F, напівуповільненими М, уповільненими Т і надуповільненими ТТ.

Рейтинг струму

Це сила струму, коли запобіжник може пропускати певний струм без руйнування протягом заданого часу. Наприклад, деякі моделі вставок під час рейтингового струму можуть працювати протягом 4 годин. Тобто через них проходитиме струм, що має значення вище робочих показників, але недостатній для швидкого розплавлення. Це станеться лише за 4 години. Протягом цього часу елемент поступово плавиться, при цьому пропускаючи струм.

Температурна залежність струму спрацьовування

Запобіжник розмикає ланцюг, коли вставка нагрівається до температури плавлення. Тому чим вище температура повітря, тим менше потрібно енергії, щоб розплавити вставку. Тобто чим тепліше навколо, тим менше потрібно сили струму для спрацьовування запобіжника. Тут важливо не плутати температуру повітря в приміщенні з температурою середовища, яке оточує елемент (зазвичай воно вище, але мається на увазі саме ця характеристика).

I 2 t (інтеграл Джоуля)

Часоточна характеристика має важливий мінус: вона призначена для змінних струмів із передбачуваною формою (наприклад, синусоїдальної). Але запобіжники використовують і в ланцюгах з імпульсними струмами, де форма може бути різною. Для визначення енергії, що виділяється плавким елементом у подібному ланцюзі, застосовується інтеграл Джоуля I 2 t, тобто інтеграл квадрата струму за певний проміжок часу, який виражається в амперах у квадраті на секунду (А 2 с).

Вимикаюча здатність

Це значення струму, яке запобіжник може вимкнути за заданої напруги та певних умов застосування. При вищому струмі, для якого вставка не призначена, елемент може просто вибухнути (тобто руйнування буде занадто швидким). Вимикальна здатність вказується всім запобіжників.

Рейтинг напруги

При спрацьовуванні плавкого елемента електроланцюг розмикається фізично. Але при сильному збільшенні напруги можливий пробій (коли подача струму відновлюється, але повітрям, корпусом або іншим методом). Рейтинг напруги відображає навантаження, при якому це може статися. При виборі запобіжника враховується яка гранична напруга може бути в конкретній енергомережі.

Види/типи запобіжників

Розглянемо, які бувають запобіжники за принципом дії, варіантом виконання, конструкції і час-струмовим характеристикам.

За принципом дії

• Електромеханічні. Мають у конструкції біметалеву пластину, яка при сильному нагріванні розмикає ланцюг.
• Плавкі. Ланцюг розривається шляхом розплавлення спеціальної вставки.
• Електронні. Оснащуються ключем, який при перевантаження розриває ланцюг. Ключ керується електронною схемою.
• Самовідновлювальні (полімерні). Складаються з полімерних матеріалів, які можуть змінювати свої властивості (ставати більшими або меншими), і при високому струмі не пропускають електрику. Опір збільшується, але потім (коли струм набуває робочих значень) знижується. Це перешкоджає пошкодженню зовнішнього електричного кола.

По час-струмовим характеристикам спрацьовування

Елемент не перегорає одразу при перевищенні сили струму, вказаної на корпусі. Зазвичай для швидкого спрацьовування запобіжника це значення ланцюга має бути приблизно в 2 рази вище номінального струму.

При підрахунку часу відключення ланцюга за допомогою конкретного запобіжника враховується час плавлення вставки (що відбувається до утворення електричної дуги) та час гасіння дуги (після чого ланцюг розмикається). Другий параметр зазвичай становить 1÷10 мс. Але час спрацьовування запобіжника означає саме час перегорання плавкою вставки. А воно може бути різним. Залежно від цього розрізняють такі запобіжники:

• Надшвидкодіючі (FF)
• Швидкодіючі (F)
• Напівуповільнені (M)
• Уповільнена (T)
• Надуповільнені (ТТ)

Часоточна характеристика залежить і від матеріалу вставки, її довжини та форми.

За конструкцією

за ГОСТ Р МЕК 60269-3-1 виділяють 6 типорозмірів плавких запобіжників:

• типу D (Перший типорозмір);
• циліндричні типу А;
• циліндричні типу В;
• циліндричні типу С;
• зі штирковими висновками;
• циліндричні для застосування у запобіжниках штепсельного типу

У всіх виробах використовуються плавкі вставки gG з керамічним корпусом.

Окремий тип плавких запобіжників – високовольтні, які виконуються по ГОСТ 2213-79. Вони призначені для більш високих навантажень, і розмір у них більший.

Розрізняють і такі види запобіжників:

• Слаботкові вставки. Застосовуються в ланцюгах малої потужності (зазвичай зі струмом трохи більше 6 ампер). В основному мають вигляд циліндра з металевими контактами з боків та тонким дротом усередині.
• Виделкові вироби. Стандартно використовуються в електроланцюжках постійного струму автомобільної техніки. Контакти розміщуються з одного боку, а плавка деталь – з іншого.
• Пробкові моделі («пробки»). Традиційний варіант виконання. Такі запобіжники раніше використовувалися повсюдно. Усередині конструкції з порцеляни розташовується дріт, який згоряє під час перевантажень і розмикає ланцюг.
• Ножові запобіжники. Зазвичай застосовують у виробництві, призначені для великих навантажень (для сили струму до 1250 ампер).
• Кварцові вставки. Застосовуються для струмів до 400 А мережах з напругою до 36 кВ.
• Газогенеруючі. При згорянні виділяють газ, при цьому чути бавовну. Застосовуються в мережах з навантаженням 35-110 кВ та номінальним струмом до 100А.

Запобіжники можуть бути наповненими та ненаповненими. Заповнені всередині вставки містять матеріал (зазвичай кварцовий пісок), який гасить електричну дугу, коли провідник перегорає. Ланцюг розмикається лише після зникнення дуги.

Маркування запобіжників

Згідно ГОСТ 17242-86, у маркуванні мають бути такі дані:

• а) товарний знак компанії-виробника;
• б) типорозмір;
• в) робочий струм;
• г) напруга постійного та змінного струму;
• д) діапазон відключення (часоточна характеристика);
• е) відключаюча здатність;
• ж) габарит;
• і) стандарт чи технічні умови, яким відповідає виріб.

У маркуванні перед цифрами, що позначають номінальний струм, вказується дві літери. Перша означає діапазон відключення запобіжників:

• a – працюють у частковому діапазоні струмів відключення, захищають лише від короткого замикання;
• g – мають відключаючу здатність у повному діапазоні, захищають від перевантажень і коротких замикань.

Друга літера позначає тип обладнання, для якого призначений елемент:

• G – Загального застосування, універсальний, для трансформаторів, кабелів, електродвигунів;
• L – кабелі та розподільники;
• М – Електричні двигуни;
• R – Напівпровідникові системи.
• B – Гірничодобувне обладнання;
• F – малопотужні ланцюги;
• Tr – Трансформатори.

Також є окрема категорія запобіжників, які позначаються буквою S. Вони відразу згоряють при короткому замиканні та відрізняються середнім часом спрацьовування при перевантаженнях.

Найпоширеніші запобіжники – із позначенням gG. Це пристрої загального застосування, які мають частковий спектр захисту.

Якщо на корпусі вставки немає перших двох букв, а значення номінального струму, виріб підходить тільки для захисту від короткого замикання.

Маркування проводиться згідно з вимогами ГОСТ Р МЕК 60127-1-2005.

Розрахунок запобіжників

Пристрій повинен відповідати таким вимогам:

• Часоточна характеристика повинна бути нижчою за аналогічний параметр об'єкта, що захищається, але при цьому мати значення поряд з ним (тобто повинна бути нижчою, але не набагато).
• Час спрацьовування при короткому замиканні має бути мінімальним, особливо під час захисту напівпровідникових електричних приладів.
• При короткому замиканні елементи повинні забезпечувати селективність захисту (щоб вимикалася лише лінія живлення або частина схеми, в якій виникла несправність).
• Так як електроустановки стають все потужнішими, запобіжники повинні відрізнятися високою здатністю, що відключає.
• Конструкція виробу повинна бути такою, щоб забезпечувати можливість швидкої заміни плавкою вставки.

При розрахунку плавких елементів враховується безліч параметрів:

• Номінальний струм. Від нього залежить вибір рейтингу струму. Він повинен бути приблизно на третину вище за робочі значення. Тобто, якщо номінальний струм 7,0 потрібно обирати вставку з рейтингом струму 10 А.
• Робоча температура. Вона також визначає рейтинг струму пристрою. Чим сильніше нагрівається запобіжник, тим більший рейтинг струму має бути. При цьому робочу температуру теж рекомендується вказувати при розрахунках із запасом (15-20%).
• Робоча напруга. Залежно від нього вибирається рейтинг напруги. Важливо, щоб значення параметра було вище робочих навантажень.
• Швидкість спрацьовування. Вибір типу вставки за швидкістю розмикання ланцюга (надшвидкодіючої, швидкодіючої, напівуповільненої, уповільненої, надуповільненої) проводиться в залежності від часових характеристик, які вказує виробник плавкого елемента.
• Максимальний струм короткого замикання. Потрібно, щоб відключаюча здатність компонента була вищою за максимальні струмові навантаження, які можуть бути в мережі.
• Габарити, типорозмір та спосіб встановлення. Дані параметри також враховуються під час розрахунку. Вибирати потрібно залежно від призначення запобіжника (місця його кріплення). Підібрати потрібну модель нескладно, оскільки сьогодні у виробників є безліч варіантів виконання продукції, в яких можливі будь-які поєднання зазначених параметрів.
• Відповідність нормам. Виріб повинен бути сертифікований та виконаний відповідно до встановлених стандартів.Наприклад, для застосування у вибухонебезпечних умовах елемент повинен відповідати ГОСТ 31610.11-2014 (IEC 60079-11:2011).
• Стійкість до імпульсних впливів. Цю характеристику вивчимо трохи докладніше.

Якщо запобіжник використовується в ланцюгах з імпульсними струмами, їхня форма буде різною. Наприклад, такі умови формуються при пускових струмах та в різних перехідних процесах. Важливо, щоб запобіжник зберігав працездатність при короткочасних струмових імпульсах (вище за рейтинг струму для конкретної моделі) і не спрацьовував. Для вибору відповідного плавкого елемента потрібно розрахунок інтеграла Джоуля.

Розрахунок I 2 t запобіжника

Щоб визначити значення параметра одного імпульсу, потрібно знати форму цих імпульсів, оскільки кожної є своя формула.

Формули досить прості. Наприклад, якщо імпульси мають прямокутну структуру при амплітуді Ip = 1А та тривалості t = 5мс, інтеграл Джоуля буде таким:

Потім враховується кількість стрибків. Наприклад, імпульсів буде 6000.

Тоді з урахуванням графіка можна визначити номінальне значення інтеграла Джоуля для запобіжника:

Необхідно, щоб значення було більшим, ніж зазначене виробником запобіжника. Якщо воно буде нижче, плавкий елемент спрацює у разі виникнення імпульсів.

Розрахунок запобіжника може виконуватися самостійно, але за потреби можна скористатися рекомендаціями спеціалістів.

Плюси та мінуси запобіжників

Основні переваги пристроїв такі:

• Проста конструкція та висока надійність. Перегорають швидко, забезпечуючи ефективний захист ланцюга та обладнання.У запобіжнику практично нема чому ламатися, тому майже виключена поломка механізму, як це буває в автоматичних реле. При аварії елемент виконає повноцінне знеструмлення ланцюга.
• Можливість застосування запобіжників із малою швидкістю спрацьовування для селективності.
• Хороша гранична відключаюча здатність при порівняно невеликому номінальному струмі.
• Можливість заміни багатьох плавких вставок під напругою.
• Невисока ціна.

Недоліки запобіжників:

• Можливість спрацьовування лише в одній фазі. Тому може перегрітися підключене обладнання, наприклад асинхронний двигун. Для підключення трифазних двигунів рекомендується використовувати реле контролю фаз.
• Спрацьовують лише один раз, потім перегорають. Тому після кожного спрацьовування потрібна заміна (якщо тільки не використовується запобіжник, що самовідновлюється).
• Обмеження по струму, навантаженню та вимикаючій потужності.
• Довге неспрацьовування при невеликому струмі навантаження.
• Конструкція передбачає можливість встановлення жучків (шунтування), які можуть спричинити виникнення пожеж.

Застосування

Запобіжники використовуються для захисту від перевантажень та короткого замикання низьковольтних та високовольтних електричних кіл. Пристрої застосовуються під час експлуатації побутового та промислового електричного обладнання. Можливе їх вбудовування у комплектні пристрої.

По області застосування розрізняють такі види плавких вставок:

• Загального застосування. Призначені для захисту силових споживачів електричної енергії з високою електродинамічною та електротермічною стійкістю (електричні двигуни, трансформаторне обладнання, електромережі у цехах тощо).
• Супутні запобіжники. Використовуються у поєднанні з автовимикачами та тепловими реле. Виконують відключення ланцюга лише при високих навантаженнях. При цьому вони або знижують значення струму до значень, допустимих вимикачів, або деактивують ланцюг до моменту розмикання контактів вимикача. Виготовляються тільки з відключаючою здатністю в частині діапазону (при малих перевантаженнях захист забезпечується автовимикачами або тепловими реле, тому застосовувати вставки повного діапазону немає сенсу).
• Запобіжники для силових напівпровідникових приладів. Виконуються тільки швидкодіючими і мають струмообмежувальні здібності, так як напівпровідникові пристрої чутливі до сильного нагрівання.
• Запобіжники для трансформаторних установок. Виділяються стійкістю до ударів та вібрацій. Призначені для трансформаторів.

Сьогодні виготовляються вироби для застосування у будь-якому кліматі, на об'єктах з різними умовами експлуатації (наприклад, рівнем механічної дії).