Плавкие предохранители
Для лучшего понимания средств и методов защиты электрических и электронных устройств в аварийных и близких к таковым режимах рассмотрим наиболее характерные режимы перегрузок электрических цепей. В большинстве случаев все электрические аварийные режимы могут быть отнесены к одной из двух категорий — перенапряжения и экстратоки. Первые происходят при воздействии на линии электропередачи и оборудование грозовых разрядов, при резкой коммутации тока в линиях и устройствах
со значительной индуктивностью, при неправильном функционировании преобразовательных систем и т. д. Вторые могут быть вызваны короткими замыканиями, механическими перегрузками электроприводов, неисправностями в электронных силовых блоках и т. п.
В общем случае, экстратоком называют любой ток в цепи, превосходящий по значению ток в цепи при нормальных рабочих
условиях. Существует два типа экстратоков — токи перегрузки и токи короткого замыкания. Током перегрузки обычно считают
ток, превышающий ток в рабочих условиях, но протекающий через проводимости элементов цепи и нагрузки, которые имеют
существенную (с учетом значения рабочего тока) величину. Зачастую токи перегрузки превышают номинальный рабочий ток в
1,5-6 раз. Обычно они вызваны пусковыми токами электродвигателей в момент запуска, токами намагничивания сердечников трансформаторов, зарядом конденсаторов фильтров и т. п. Такие токовые перегрузки безопасны и называются рабочими
перегрузками. Длительности рабочих перегрузок относительно невелики, и, соответственно, перегрев устройств за их счет очень
незначителен. Перегрузки, длительные по времени, обычно происходят изза механических повреждений электродвигателей
приводов, нагрузки на оборудование, превышающей расчетную, подключения к одной цепи большого количества потребителей
электроэнергии. Перегрузки по току такого характера могут вызывать существенное повышение температуры проводников,
преобразователей, трансформаторов и выход их из строя. Однако из-за относительно небольшой величины тока в цепи (по
сравнению с коротким замыканием) повреждения оборудования носят не мгновенный характер, а требуют достаточно длительного
времени и могут быть легко предотвращены. Током короткого замыкания (КЗ) называют ток, протекающей в цепи, проводимость
которой существенно выше, чем проводимость в нормальных условиях. При коротком замыкании ток в цепи может превышать
рабочий ток в сотни и тысячи раз. Если цепь с таким током не разорвать в течение разумного времени (максимально — единицы
секунд, обычно — гораздо меньше), то повреждения оборудования, вызванные столь большими токами, могут быть фатальными —
это разрушение изоляторов, расплавление и испарение проводников, дугообразование, воспламенение горючих материалов.
Кроме того, большие значения токов короткого замыкания вызывают значительные силы магнитного взаимодействия токонесущих
проводников, приводящих их к деформации и разрушению. Короткие замыкания являются одной из важных причин пожаров в
быту и на производстве, приносящих огромные убытки.
Наиболее надежным средством защиты от экстратоков, не зависящим от внешних условий, механического состояния и т. п.,
являются плавкие предохранители. Работа этих приборов основана на свойствах «плавкой перемычки», помещенной в корпус и
подключенной к выводам. Электрическое сопротивление перемычки достаточно мало, поэтому в нормальных условиях она играет
роль обычного проводника. При превышении тока в цепи номинального значения, на которое рассчитана перемычка, количество тепла, выделяемое в ней, растет. Это приводит к увеличению ее сопротивления и, соответственно, к дополнительному разогреву.
Процесс развивается лавинообразно и, в конечном итоге, приводит к расплавлению перемычки, тем самым разрывая защищаемую от экстратоков цепь. Чем больше величина экстратока, тем быстрее плавится перемычка. Это фундаментальное свойство
позволяет использовать плавкие предохранители для надежной защиты цепей даже от токов короткого замыкания. Несмотря на
то, что плавкие предохранители как устройства защиты электрических цепей известны и применяются уже почти полторы сотни лет, ряд их характеристик остается непревзойденными другими системами токовой защиты. В частности, плавкие предохранители:
• отличаются очень высокой стабильностью времятоковых характеристик и не требуют периодического обслуживания и
ремонта;
• обладают очень высокой разрывной способностью, то есть могут выдерживать очень большие токи без физического
разрушения конструкции;
• не дают «лавинных» сгораний: при правильном выборе, в аварийном режиме сгорает только ближайший к аварийному
участку предохранитель, таким образом обеспечивается выборочная защита и обесточивание цепей;
• обеспечивают оптимальную токоограничивающую защиту цепей — в силу своих рабочих характеристик.
Современный плавкий предохранитель представляет собой достаточно сложное электротепломеханическое устройство со
стабильными характеристиками и свойствами, знание которых является необходимым условием успешного применения
предохранителей и надежной защиты силовых систем в аварийных режимах. И если еще 40-50 лет назад во многих случаях
считалось допустимым применение вместо плавких предохранителей обыкновенных железных гвоздей (в некоторых справочниках
по электротехнике издания 50-60-х годов прошлого века даже приводились данные по току плавления гвоздей различных
диаметров и длин), то сегодня в условиях массового применения полупроводниковых преобразователей, трансформаторов и
конденсаторов с большой удельной мощностью, такой подход не просто неприемлем, а недопустим в принципе, поскольку может
привести к очень серьезным авариям.
Обратимся к основным характеристикам, определяющим типы плавких предохранителей.
Номинальное напряжение. Его значение для предохранителя должно быть равно или выше напряжения в защищаемой
цепи. Предохранитель на напряжение 600 В может быть использован для защиты цепей с напряжением 220 В, но не наоборот.
Номинальное напряжение характеризует способность плавкого предохранителя разрывать цепь, находящуюся под напряжением
в условиях перегрузки, в частности, гашение вольтовой дуги, возникающей при плавлении перемычки. Предохранитель с
номинальным напряжением, меньшим, чем напряжение в цепи, в ряде случаев может не погасить дугу за требуемое время, в
результате чего цепь не будет разорвана больше времени, чем это допустимо. Это особенно важно для предохранителей,
защищающих полупроводниковые преобразователи, поскольку именно для таких устройств очень важно разорвать цепь за
минимально возможное время.
Номинальный ток. Это основная характеристика любого предохранителя. При выборе прибора по его номинальному току
необходимо учитывать конкретные условия работы предохранителя, в частности, вид нагрузки цепи. Номинальный ток
предохранителя не должен превышать допустимую величину тока цепи. Например, если проводник рассчитан на пропускание
тока в 20 А, то максимальная величина номинального тока плавкого предохранителя для данной цепи равна 20 А.
Однако из этого правила есть и исключения (как обычно, лишь подтверждающие правило). Типичный случай — цепи питания
электродвигателей. Для того чтобы при пуске двигателя под нагрузкой не произошло сгорание предохранителя, допустимо
выбирать быстродействующие предохранители на номинальный ток в 3 раза выше долговременного тока, потребляемого
двигателем при полной нагрузке, а предохранители с медленным срабатыванием — на ток, в 1,75 раза превышающий указанный
ток двигателя.
Разрывная способность. Любое устройство токовой защиты электрической цепи должно выдерживать без физического
разрушения передачу энергии короткого замыкания. Если ток короткого замыкания будет больше, чем ток, который способно
выдержать устройство защиты, то оно может разрушиться, усугубляя тем самым аварийную ситуацию. Таким образом, применяемое
устройство защиты (в частности, предохранитель) должно быть способно выдержать любой теоретически возможный аварийный
ток. Наибольшая величина этого тока называется максимальным разрывным током или разрывной способностью предохранителя.
С точки зрения величины разрывной способности современные плавкие предохранители существенно превосходят своих
конкурентов — термоэлектрические и электромагнитные автоматы. Так, типовое значение разрывной способности автоматов
широкого применения превышает 10-12 кА, в гораздо более дорогих автоматах специальных конструкций — 18-25 кА, в то время
как для большинства предохранителей типовое значение составляет 40-50 кА, а для ряда приборов разрывная способность
может достигать 200-400 кА. Поэтому именно плавкие предохранители используются для защиты автоматов защитыкак менее
надежных устройств.
Рассмотрим две важные особенности применения плавких предохранителей.
Последовательная защита и предотвращение лавинных сгораний. Правильно выбранные величины номинального тока
предохранителей в различных участках цепи позволяют в случае аварии в какой-либо одной ветви обесточить только эту ветвь,
без обесточивания других устройств, расположенных ближе к источнику энергии, чем аварийное. Это свойство хорошо
иллюстрирует упрощенная схема куста потребителей электроэнергии, приведенная на рис. 1.
При аварии в ветви «С» сгорает лишь предохранитель FU3, таким образом, другие потребители, подключенные к ветви В, не
обесточиваются и продолжают функционировать. Аналогично, потребители, подключенные к ветви «А», продолжают
функционировать независимо от аварийной ситуации в ветви «В». Такое выборочное отключение и локализация аварийных
участков цепей с помощью плавких предохранителей легко реализовать, выбрав соотношение рабочих токов 2:1 (или более) для
каждой нисходящей ветви.
Ограничение тока цепи и защита ее элементов. Защитные устройства, не ограничивающие ток короткого замыкания цепи (в
частности, автоматы и контакторы) до момента отключения цепи, пропускают импульсы тока значительной величины, способные
вывести из строя полупроводниковые приборы, либо повредить другие элементы защищаемой цепи. Указанный недостаток
работы устройств автоматической защиты демонстрирует рис. 2.
Рис. 2. Временная диаграмма тока короткого замыкания в цепи, защищенной тепловым автоматом
Плавкие предохранители как устройства, ограничивающие максимальный импульс тока короткого замыкания цепи, определяют
существенно меньшую величину энергии, выделяющуюся в аварийной цепи. Это хорошо видно на диаграмме (рис. 3).
Рис. 3. Временная диаграмма тока короткого замыкания в цепи, защищенной плавким предохранителем
Устройство защиты является токоограничиеающим, если оно обеспечивает спад тока короткого замыкания менее чем за
четверть периода переменного тока первичной сети, тем самым не позволяя току короткого замыкания достичь своего
максимального значения. Большинство современных плавких предохранителей отвечают данному условию и ограничивают токи
КЗ на таком уровне, который позволяет избежать серьезных повреждений элементов цепей даже при тяжелых авариях. Это дает
возможность:
• применять автоматы с меньшими установками тока;
• облегчить и упростить системы крепления и изоляторы токоведущих шин;
• снизить требования по устойчивости к большим значениям токов к остальным элементам силовых цепей.
Не будучи ограничены по времени и величине, токи КЗ многих электрических цепей могут достигать 30-50 кА (и более) за
четверть периода первичной сети (5 мс для цепей переменного тока промышленной частоты 50 Гц) с момента короткого
замыкания. Огромное количество тепла, выделяемое в режиме КЗ в цепи, может нанести серьезные повреждения изоляции,
расплавить токоведущие шины, а в ряде случаев привести к взрыву силовых устройств (в частности, маслонаполненных
трансформаторов). Существенные магнитодинамические силы между проводниками со столь большими токами способны разрушить
крепления и изоляторы, исказить структуру обмоток трансформаторов и т. п. Избежать всех этих неприятностей позволяет защита
электрических цепей с помощью плавких предохранителей.
Проанализируем особенности конструкции и работу современных низковольтных (до 1-2 кВ) плавких предохранителей.
Предохранители одиночного действия (одноэлементные)
На рис. 4 представлен разрез современного цилиндрического одноэлементного предохранителя:
Рис. 4. Цилиндрический плавкий предохранитель в разрезе
Основным элементом предохранителя является плавкая перемычка. В зависимости от номинального тока в одном
предохранителе перемычек может быть от одной до десяти. Вид, геометрические размеры и профиль перемычки проектируется
исходя из требуемых свойств предохранителя. Для уменьшения потерь в приборе перемычки обычно изготавливаются из меди,
серебра и их сплавов с другими металлами, которые характеризуются малым удельным сопротивлением. Концы перемычек
привариваются или припаиваются к выводам предохранителя, которые, в зависимости от типа и назначения, могут быть
ножевыми, цилиндрическими, плоскими шинами и контактными плоскостями. Корпус предохранителя изготавливается из
материалов с высокой электрической и механической прочностью, чаще всего из керамики специальных типов. Внутрь корпуса
обычно засыпают дугогасящий наполнитель — чистый кварцевый песок или тонкую крошку оксида алюминия.
В нормальных условиях, когда ток, идущий через предохранитель, меньше или равен номинальному, прибор работает, как проводник электрического тока. При превышении током номинального значения более-менее длительное время, тонкие участки перемычки быстро нагреваются, их температура достигает температуры плавления материала, и перемычка плавится, разрывая
защищаемую цепь (рис. 5).
Рис. 5. Срабатывание плавкого предохранителя под воздействием тока перегрузки
При этом ток в цепи разрывается не сразу, поскольку в образовавшемся разрыве возникает электрическая дуга. Высокая
температура дуги вызывает быстрое плавление металла перемычки и увеличение длины разрыва. Наполнитель способствует
быстрому охлаждению дуги, ее разветвлению и удлинению, что существенно уменьшает время ее горения. Длина дуги и ее
сопротивление растут и в результате достигают таких значений, при которых дуга гаснет. В этот момент предохранитель
полностью разрывает электрическую цепь.
Современные одноэлементные предохранители обладают очень малым временем реакции на возникновение экстратока,
обеспечивая надежную и быстродействующую защиту от коротких замыканий. Однако длительно протекающие токи рабочих
перегрузок могут вызывать нежелательные срабатывания таких предохранителей, если их номинальный ток был выбран без
соответствующего запаса. Предохранители такого типа лучше применять для защиты цепей с активной нагрузкой (нагревательные
элементы, резисторы, гальванические ванны и т. д.), для которых не характерны значительные токи рабочих перегрузок.
Токи коротких замыканий обычно многократно превосходят токи в нормальных условиях и токи рабочих перегрузок, достигая
десятков-сотен кА. При столь высоких значениях тока плавкий предохранитель срабатывает очень быстро.
В показанном на рис. 6 предохранителе под воздействием тока КЗ плавятся одновременно все тонкие участки перемычки,
поскольку тепло от участков, расположенных ближе к выводам, не успевает отводиться к ним за время порядка 1-10 мс. Это
существенно уменьшает время горения дуги и, соответственно, время полного разрыва цепи, которое, в результате, не превышает
даже четверти периода тока питающей сети.
Рис. 6. Срабатывание плавкого предохранителя под воздействием тока короткого замыкания