Как работает предохранитель?

Предохранители на DIN-рейке

Электрические плавкие предохранители — это обязательный элемент современной электрической сети, и один из самых важных элементов безопасности в доме. Когда по проводке, будь она в доме, в автомобиле или любом другом устройстве, начинает идти слишком сильный ток, эти маленькие устройства прерывают цепь, отключая ток до тех пор, пока кто-нибудь не сможет исправить проблему.

Без предохранителей (в простонародье «пробок»), использование электричества в домах и автомобилях было бы не практичным — из-за любой поломки или проблемы с проводкой мог возникнуть пожар.

В этой статье мы разберемся каким образом предохранители отслеживают силу тока в проводке и как они прерывают цепь в том случае, когда сила тока становится слишком высокой. Как мы увидим, предохранители — невероятно простое устройство, решающее очень важные задачи.

Как подобрать предохранитель?

Чтобы при ремонте не ошибиться с тем, на какой ток брать предохранитель, нужно для всех потребителей электричества, подключенных по цепи к этому предохранителю сложить мощность P. Тогда номинальный ток в цепи должен не превышать Inom=Pmax/U, где U - это напряжение (220 Вольт), а Pmax - это максимальная сумма нагрузки всех потребителей (увеличенная на 20%, т.к. при старте электроприборы могут потреблять больше энергии, чем в нормально режиме). Так, например, для чайника на 1200 Вт потребуется предохранитель на 6А, а для электроплиты, чайника, микроволновки и холодильника, суммарной мощностью в 8КВт, потребуется предохранитель на 40А.

Электричество определяется тремя основными параметрами:

  • Напряжением
  • Силой тока
  • Сопротивлением

Если провести аналогию с потоком воды, напряжение — это «давление», которое заставляет перемещаться заряд. Сила тока — это «напор» заряда, чем больше сила тока, тем больше заряда протекает по проводнику. Наконец, сопротивление — это преграды, которые мешают току течь. Сопротивление зависит от размеров и состава проводника.

Напряжение, сила тока и сопротивление взаимосвязаны — невозможно изменить один параметр, не изменяя другие. Сила тока — это отношение напряжения к сопротивлению (записывается I=v/r). Из этой формулы можно сделать интуитивные вывод: при увеличении напряжения или уменьшении сопротивления будет увеличиваться ток, протекающий через проводник. И наоборот, при уменьшении напряжения или увеличении сопротивления сила тока уменьшиться.

Как все это связано с безопасностью вашего дома? Давайте выясним.

Как предохранитель обеспечивает защиту вашего дома?

Электричество поступает в дом от электростанций, по пути пройдя несколько преобразований в трансформаторах. В доме электрический ток расходится от щитка по одной большой цепи, состоящий из большого числа маленьких. Один конец цепи называется «фаза» — на него поступает заряд от электростанции. Другой конец цепи подключен к проводу, который называется «нейтраль», на котором всегда нулевой заряд. Так как фаза подключена к источнику заряда, а на нейтраль всегда нулевой заряд, то в цепи возникает напряжение.

Наверняка вы слышали, что в домах используется переменный ток. Это означает, что заряд на фазе постоянно меняет свой знак. В России и странах СНГ это происходит каждые 0.02 секунды (50 раз в секунду). Напряжение, которое передается от трансформатора составляет 220 Вольт, а вот сопротивление зависит от цепи в вашем доме, от того какие устройства, какой мощности подключены. Например, электрическая лампочка будет создавать одно сопротивление (еще говорят «нагрузка»), а тостер — уже другое, намного больше.

Сопротивление — это то, что заставляет приборы работать. В традиционной лампочке накаливания, например, спираль сделана из вольфрама. Вольфрам сам по себе обладает очень высоким сопротивлением, а из-за того, что спираль очень тонкая, сопротивление становиться еще больше. Заряд, проходя по спирали, совершает работу и нагревает спираль так сильно, что она начинает светиться.

В проводке в доме фаза и нейтраль никогда не соединяются напрямую. Заряд, протекая по цепи, проходит через цепь внутри различных приборов, действующую как сопротивление. Если мы вспомним формулу в начале статьи, то увидим, что сопротивление в цепи ограничивает ток (сопротивление и напряжение постоянные, соответственно, ток тоже постоянный). Если через цепь будет протекать слишком большой заряд, это нагреет провода в устройствах, что чревато возникновением пожара.

Электрические устройства разрабатываются таким образом, чтобы ток оставался невысоким из соображений безопасности. Это позволяет устройствам работать стабильно почти все время, но иногда, могут произойти поломки, при которых фаза соединится с нейтралью или «землей» (проводом, который предназначен для сбора заряда от статического электричества или паразитных наводок, и который, как и нейтраль, имеет нулевой заряд, но не предназначен для того, чтобы принимать заряд все время.). Например, если закрыть выходное отверстие для воздуха в фене, он может перегреться, и изоляция на проводах может расплавиться, замкнув фазу и нейтраль. Или кто-то может вбить гвоздь в стену, случайно проткнув и соединив провода. Когда фаза соединяется напрямую с нейтралью, происходит короткое замыкание, при котором сопротивление в цепи очень низкое, и поэтому сила тока становится очень большой. Если это продолжается какое-то время, провода могут раскалиться и вызвать пожар.

Задача предохранителя состоит в обнаружении коротких замыканий и разрыве электрической цепи за доли секунд, пока поломка не привела к беде.

Как устроены плавкие предохранители (пробки).

Самый простой вариант предохранителя — это плавкие предохранители, или те самые «пробки», которые были распространены лет 30 назад. Впрочем, плавкие предохранители до сих пор повсеместно применяются: в автомобилях, в промышленности, в различных бытовых приборах. Плавкий предохранитель представляет из себя просто тонкий провод, заключенный в специальный корпус и включаемый в разрыв цепи. Через предохранитель протекает ток такой же силы, как и через всю цепь. Провод в плавком предохранителе специально подобран так, чтобы он достаточно быстро нагревался от протекающего тока. Если сила тока в цепи будет выше определенных уровней, проволока в предохранители расплавится и контакт будет нарушен, ток перестанет течь, еще до того, как проводка в квартире раскалиться и сможет стать опасной.

Единственная проблема в таком предохранителе это то, что он работает всего один раз. Каждый раз, когда пробки сгорают, требуется замена предохранителя, что, в прочем, компенсируется его ценой.

Устройство автоматического предохранителя (Нажмите, чтобы увеличить)

  1. Рычажок переключателя
  2. Механический привод
  3. Подвижный контакт
  4. Неподвижный контакт
  5. Клеммы для подключения в разрыв цепи
  6. Тепловой размыкатель
  7. Магнитный размыкатель
  8. Дугогасительная камера
  9. Регулировочный винт
  10. Диэлектрический корпус
  11. Фиксирующая защелка.

Как устроены автоматические предохранители (автоматы).

Более сложное устройство - автоматический предохранитель, их еще называют «автоматами». Такой автомат состоит из нескольких частей - см. иллюстрацию. Автоматы делают в стандартных диэлектрических корпусах, в которых предусмотрена специальная защелка (11) для удобного и быстрого крепления в щиток на DIN-рейку. Провода подключаются к клеммам (5): к одной клемме подключен неподвижный контакт (4), а к другой, через два размыкателя (тепловой (6) и магнитный (7)), подключен подвижный контакт (3). С помощью механического привода - специального рычага определенной формы, при нажатии переключателя соединяются подвижный и неподвижный контакты. К подвижному контакту присоединена пружина — она помогает в случае короткого замыкания быстро разомкнуть контакты от малейшего усилия размыкателей.

Тепловой размыкатель представляет собой биметаллическую пластину, которая при нагреве от проходящего по ней тока изгибается. С помощью регулировочного винта (9) на производстве пластину настраивают так, чтобы она при прохождении тока, выше номинального приводила в действие пружину, размыкающую контакт.

Магнитный размыкатель представляет из себя катушку, по которой идет ток, что заставляет катушку создавать магнитное поле. Чем сила тока выше, тем сильнее магнитное поле. Внутри катушки расположен подвижный сердечник, который приводится в движение магнитным полем и воздействует на пружину, когда сила тока превышает номинальную.

Чтобы при размыкании контактов не возникла электрическая дуга, они расположены возле специальной дугогасительной камеры.

Возможно, вы захотите узнать, зачем в одном предохранителе два размыкающих устройства? Это вызвано тем, что тепловой размыкатель срабатывает при небольшом превышении номинального тока (в 1.3-1.45 раза выше), но на это требуется время (от секунды до нескольких минут). Магнитный размыкатель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 6 и более раз от номинального тока. Таким образом, обеспечивается защита от случайного срабатывания: при многократном превышении допустимого тока — цепь будет разорвана мгновенно. Если превышение не такое большое, то потребуется некоторое время, чтобы предохранитель сработал. Таким образом предохранитель защищен от ложных срабатываний.