Предохранитель – коммутационный аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определённое значение,В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путём расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция производится вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель.Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили широкое их применение. Предохранители низкого напряжения изготовляются на токи от миллиампер до тысяч ампер и на напряжение до 660 В, а предохранители высокого напряжения – до 35 кВ и выше.Широкое применение предохранителей в самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус или несущую деталь; плавкую вставку; контактное присоединительное устройство; дугогасительное устройство или дугогасительную среду.В качестве плавких вставок используются цинковые пластинки с несколькими сужениями (перешейками). В нормальных условиях нагрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдаётся в окружающую среду. При этом, кроме вставки, нагреваются до установившейся температуры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений.При прохождении большого тока короткого замыкания быстрее всего расплавляются перешейки, имеющие большое сопротивление. Создаётся несколько разрывов цепи и возникает электрическая дуга. Внутри патрона создаётся давление, пропорциональное квадрату тока в момент плавления вставки. Оно может повыситься до нескольких десятков атмосфер. Наличие нескольких разрывов, повышение давления и некоторые другие факторы позволяют резко уменьшить время с момента начала короткого замыкания до погасания дуги. Процесс гашения начинается ещё до того, как ток короткого замыкания достигнет установившегося или даже амплитудного значения. Таким образом, предохранитель может отключить повреждённую цепь с токоограничением. При этом облегчаются условия гашения дуги для самого предохранителя, так как отключается не установившийся ток короткого замыкания, а ток, определяемый временем расплавления вставки.

Хорошие результаты даёт применение плавкой вставки из медной проволоки с использованием металлургического эффекта. На тонкую проволоку диаметром менее 1 мм наносится шарик олова. При нагреве сначала плавится олово, имеющее температуру плавления 232°С. В месте его контакта с проволокой начинается растворение меди и уменьшение сечения вставки. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока в месте расположения шарика проволока не расплавится. Возникающая дуга разрушает её по всей длине. Данная конструкция снижает среднюю температуру плавления вставки до 280°С и главное – время срабатывания предохранителя.После срабатывания предохранителя требуется замена сгоревшей плавкой вставки новой. Во избежание изменения уставки срабатывания плавкая вставка должна быть прокалибрована с указанием на клейме номинального тока вставки. Клеймо должно быть поставлено заводом изготовителем или электротехнической лабораторией. Применение вставок без клейма запрещается.Патрон предназначен для размещения плавкой вставки и крепления предохранителя к панели. Предохранители, которые включаются в сеть с большим напряжением, имеют большую длину патрона и повышенную отключающую способность. В зависимости от величины номинального тока меняется диаметр патрона. В каждом габарите могут устанавливаться вставки на различные номинальные токи. В некоторых типах предохранителей патрон заполняется кварцевым песком. При коротком замыкании дуга горит в канале, образованном песчинками. Кварцевые песчинки имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность. Это позволяет при относительно небольшой длине патрона добиться эффективного гашения дуги.

Предохранители характеризуются номинальным напряжением, номинальным током, а также предельно отключаемым током предохранителя и номинальным током плавкой вставки. Номинальное напряжение предохранителя Uном.пр. соответствует наибольшему напряжению цепи, в которую допускается включать предохранитель.Номинальный ток предохранителя (патрона, контактных стоек) Iном.пр. соответствует длительному току, на который он рассчитан. Так как в один и тот же патрон можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи, то Iном.пр. равняется наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данного пре­дохранителя.Предельно отключаемый ток предохранителя Iо.пр. – наибольший ток, при котором ещё обеспечивается гашение дуги без повреждения патрона предохранителя. Номинальный ток плавкой вставки Iном.в. – наибольший ток, который неограниченное время не вызывает перегорание плавкой вставки.

Зависимость времени расплавления вставки от величины протекающего по ней тока называется защитной время-токовой характеристикой плавкой вставки. На рис. 1 по оси абсцисс отложены кратности расплавляющего тока по отношению к номинальному току плавкой вставки. Чем на большую величину ток превышает номинальное значение плавкой вставки, тем она быстрее перегорит.

Рис. 1. Время-токовая характеристика плавкой вставки

Рис. 2. Время-токовые характеристики плавких вставок

Ток расплавления плавкой вставки увеличивается с увеличением её сечения, но время-токовая характеристика сохраняет тот же вид (кривые 1 – 3 на рис. 2). Это может быть использовано для обеспечения селективности защиты. Если один и тот же ток I1 протекает через два предохранителя, то плавкая вставка меньшего сечения расплавится за время t1 (кривая 1), а второго – за время t2 (кривая 2). Поэтому, если в сеть будут последовательно включены два или более предохранителя на разные номинальные токи, то раньше всех расплавится плавкая вставка предохранителя, находящегося ближе к месту повреждения.Как видно из приведённой на рис. 1 характеристике, плавкие предохранители имеют большую зону разброса и вследствие этого невысокую точность во всём диапазоне токов. Это объясняется тем, что на величину плавящего тока и время расплавления влияет большое число факторов – материал, длина и сечение плавкой вставки, её состояние (старение, окисление, целостность), конструкция плавкой вставки и патрона (определяет условия охлаждения), температура окружающей среды и др.

Предохранитель серии ПН-2

Предохранители серии ПН-2 (рис. 5) предназначены для защиты силовых цепей до 500 В переменного тока и 440 В постоянного тока, выполняются на номинальные токи 100, 250, 400 и 630 А, обладают токоограничивающим действием и высокой разрывной способностью.

Корпус 1 представляет собой глазурованную квадратную снаружи, круглую внутри фарфоровую трубку с четырьмя резьбовыми отверстиями с каждого торца. В трубку введен узел с плавкой вставкой 2, приваренной электроконтактной точечной сваркой к шайбам врубных контактных выводов 3. Контактный узел с каждого торца трубки крепится к крышке 4 винтами. Крышка с асбестовыми прокладками 5 привинчивается к корпусу и герметически закрывает его. Внутренняя полость трубки наполняется чистым и сухим кварцевым песком 6, полностью охватывающим рабочую длину вставки. Применяется песок с содержанием кварца не менее 98 %, с диаметром зерен 0,2÷0,3 мм, обработанный двухпроцентным раствором соляной кислоты, промытый и прокаленный при температуре 120÷180оС. 

Рис. 5. Предохранитель серии ПН-2

Герметизация корпуса предохраняет песок от увлажнения.Плавкая вставка выполняется из одной или нескольких медных ленточек толщиной 0,15÷0,35 мм и шириной до 4 мм с просечками 7, уменьшающими на длине не менее 6 мм сечение вставки в два раза. Применение тонких параллельных ленточек позволяет снизить сечение плавкой вставки для данного номинального тока, а, следовательно, и количество паров металла в дуге. Последнее обстоятельство облегчает гашение дуги. Возникновение нескольких дуг в параллельных каналах позволяет участвовать в рассеянии энергии дуги большему объёму наполнителя, чем также облегчается гашение дуги. Для снижения нагрева при малых перегрузках используется металлургический эффект. На каждую ленточку вставки напаивается оловянный шарик 8. Температура плавления металла ленточки в месте, где напаян оловянный шарик, достигает 475 °С. Превышение температуры деталей предохранителя находится в пределах нормы. Отключающая способность – 50 кА для предохранителя на 100 А и до 100 кА для предохранителей на 630 А. Предохранители серии ПН-2 находятся на уровне лучших современных конструкций.

Тепловое реле

В тепловых реле первого типа с легкоплавкими сплавами используется сплав Вуда. В холодном состоянии он тверд и не позволяет механизму контактов реле изменить свое положение. При перегрузке электродвигателя ток увеличивается, температура сплава повышается и при определенном ее значении он расплавляется. Заведенный пружиной механизм освобождается и контакты реле размыкаются.Биметаллическая пластинка – это наложенные друг на друга и сваренные между собой две полоски из металла с разными коэффициентами линейного расширения, т.е. удлиняющиеся при нагревании неодинаково. При нормальной температуре (между 0 и 20 °С) полоски имеют одинаковую длину, а при её повышении пластинка 1 (рис. 8) изгибается кверху и при определённом положении освобождает рычаг 2, который под воздействием пружины 3 поворачивается и размыкает контакты 4 и 5. Очевидно, что чем больше нагрев пластины, тем больше и быстрее она изогнется и тем быстрее сработает тепловое реле.Ток защищаемого электродвигателя в тепловом реле проходит непосредственно через биметаллическую пластинку (прямой нагрев), через нагревательный элемент 6 (косвенный нагрев) или комбинацию, т.е. через биметаллический элемент и нагреватель. Величина тока срабатывания может быть изменена путем смены биметаллической пластины или нагревательного элемента (нихромовое сопротивление) на другие, имеющие разную форму и сечение.

Рис. 8. Схема устройства теплового реле

В некоторых типах теплового реле предусматривается регулятор, позволяющий в довольно широких пределах плавно изменять величину тока и время срабатывания. Например, при изгибании регулировочным винтом (на рис. 8 не показан) скобы 7 изменится относительное положение биметаллической пластинки и рычага, а следовательно, и ток срабатывания Возврат реле в исходное положение после срабатывания может происходить автоматически или при нажатии кнопки возврата 8.

Защита температурными устройствами принципиально является более совершенной. Она позволяет осуществить защиту электродвигателя, работающего в продолжительном и любом из прерывистых режимов.

Реагирующий орган защитного устройства контролирует непосредственно степень нагрева обмоток электродвигателя, а также железа статора, корпуса подшипников, располагаясь непосредственно в защищаемом элементе. При превышении температуры контролируемой области предельного значения защита срабатывает и ее контакты воздействуют на цепь отключения электродвигателя или сигнализации. В реагирующем органе применяются биметаллические пластинки или полупроводниковые элементы – термисторы, позисторы.

Рис. 9. Термистор ТР-33

Например, в аппаратуре АТВ-229 в качестве термодатчика используется термистор ТР-33 (рис. 9), который состоит из рабочего тела 1 с контактными колпачками 2, выводов 3, защитного металлического чехла 4 и стеклянного изолятора 5. Аппаратура позволяет изменять температуру срабатывания в пределах 70÷120 °С через каждые 10 °С. Погрешность по температуре срабатывания не превышает 5 °С.

Предохранители ПР-2

Предохранители серии ПР-2 общего назначения (ТУ 3424-003-34377845-2000) с закрытым плавким элементом, общепромышленного применения, применяются для защиты электрооборудования промышленных установок и электрических сетей от перегрузок и токов короткого замыкания, при включении их в цепи переменного тока до 1000А напряжением до 500В, частоты 50 и 60Гц, в цепи постоянного тока напряжением до 440В. Предохранители выпускаются для обеспечения эксплуатации, ремонта, достройки и пополнения ЗИП. Климатическое исполнение У (категория размещения 4) и Т (категория размещения 3) по ГОСТ 15150-69.

Основным его отличием от других предохранителей является разборность, внутри он ненаполненный, а плавкая вставка в конструкции предохранителя ПР-2 – это заменяемый элемент. Вставка плавкая в предохранителе ПР-2 перегорает за счёт накопления энергии в широких сегментах вставки и плавления её в местах сужения, а дугогашение осуществляется вследствие герметичности конструкции корпуса предохранителя.

Устройство предохранителя ПР-2, маркировка

Предохранитель ПР-2 на номинальные токи 100  —  1000 А: а  —  общий вид патрона; б  —  формы плавких вставок; 1  —  трубка; 2  —  плавкая вставка; 3  —  латунная втулка; 4  —  колпачок; 5  —  шайба; 6  —  нож в  —  установка предохранителя;1  —  зажим; 2  —  пружина; 3  —  контактная стойка; 4  —  контактный нож; 5  —  фибровый патрон; 6  —  плавкая вставка; 7  —  латунный колпачок

Расшифровка ПР-2

ПР-2 ХХ-ХХХ-ХХ:

П — предохранитель;
Р — разборный;
2 — номер разработки;
ХХ — величина номинального тока, А;
ХХХ — рабочее напряжение, В;
ХХ — климатическое исполнение и категория размещения У4, Т3 по ГОСТ 15150-69.

Варианты исполнения предохранителей ПР-2 в зависимости от вида приёмки:
ОТК — отдел технического контроля;
ОС — особо стойкие (особо стабильные);
ПЗ — приемка заказчика;
ВП — военная приемка.

Технические характеристики предохранителей ПР-2

Номинальный ток основания предохранителя, А	Номинальный ток плавкой вставки, А
15	6, 10, 15
60	15, 20, 25, 35, 45, 60
100	60, 80, 100
200	100, 125, 160, 200
350	200, 225, 260, 300, 350
600	350, 430, 500, 600
1000	600, 700, 850, 1000

Габаритные, установочные размеры и масса предохранителей ПР-2 на напряжение 220 и 500 В, номинальный ток 15 и 60 А.

Габаритные и установочные размеры плавких вставок 15 и 60А

Габаритные, установочные размеры и масса предохранителей ПР-2 на напряжение 220 и 500 В, номинальный ток 100 и 350 А.

Габаритные, установочные размеры и масса предохранителей ПР-2 на напряжение 220 и 500 В, номинальный ток 600 А.

Габаритные и установочные размеры плавких вставок ПР-2 100, 200, 350, 600А 220/500В

Плавкие элементы для комплектации плавких вставок предохранителей ПР-2

Перегоревшие плавкие вставки предохранителя ПР-2 желательно заменять запасными заводской калибровки. Если таковые отсутствуют под рукой, их можно временно заменить проволочками, рассчитанными на определенный ток.
В качестве плавких вставок применяют медную луженую проволоку. Если пользуются несколькими параллельно включенными проволоками, их скручивание недопустимо!

Выбор диаметра проволоки для плавких вставок предохранителей ПР2

Номинальный ток патрона, А	Номинальный ток плавкой вставки, А	Диаметр медной проволоки, мм	Число параллельно включенных проволок
15	6	0,25	1
15	10	0,35	1
60	15	0,45	1
60	20	0,55	1
60	25	0,6	1
60	35	0,75	1
60	45	0,9	1
60	60	1,0	1
100	80	0,8	1
100	100	1,0	2
200	125	1,1	2
200	160	0,9	3
350	200	1,15	3
350	300	1,2	4
350	350	1,3	4