Как любит говорить Александр Ярошенко, практикующий электрик и электротехник, автор блога «СамЭлектрик.ру»: «Я не претендую на академичность, но...». Вот и в этот раз статья далека от академического изложения, но с точки зрения практического смысла являет собой достойный образец того, как можно на понятных примерах показать и рассказать человеку, далёкому от электротехники, некоторые нюансы и аспекты какой-либо интересной, но трудной для восприятия темы. Лейтмотивом публикации стали предохранители, их принципиальное отличие от защитных автоматов, а также плюсы и минусы в сравнении с современными цифровыми технологиями.
Те мои читатели, которые постарше, наверняка помнят те времена, когда в электрощитах, или над счетчиками стояли предохранители. В народе их ещё назвали «пробки». Казалось бы, прогресс давно шагнул вперед, придуманы автоматические выключатели (АВ) — защитные автоматы, которые гораздо удобнее и проще как в монтаже, так и в эксплуатации.
Однако я и по сей день встречаю предохранители. В электрощитках их почти не осталось, но их можно до сих пор увидеть в современном силовом и промышленном оборудовании. Эта статья ни в коей мере не претендует на академичность. Просто решил разобраться в теме и поделиться результатами.
Принцип действия плавких предохранителей
Думаю, это лишнее, но всё же расскажу, как работает предохранитель.
При прохождении через него тока выше номинального (сверхтока) нить, изготовленная из легкоплавкого материала, разогревается и разрывается — сгорает. Происходит то же самое, что и в случае применения АВ — при перегрузке цепь нагрузки прерывается.
Иными словами, предохранитель служит для того же, для чего и АВ — защищает цепь от перегрузки и короткого замыкания.
Недостатки предохранителей по сравнению с автоматическими выключателями
Казалось бы, зачем городить огород, когда придуманы автоматы, ведь предохранители обладают множеством недостатков! Вот некоторые из них.
Трудно распознать выключение
Если предохранитель «сработал», этого никак не узнать — нужно выкручивать его и проверять визуально или омметром. Да, есть предохранители с индикацией разного принципа действия, но это всё равно не удобно. Выключенный автомат видно издалека.
Фото взято из статьи «Пропал свет в квартире: кто виноват и что делать?» Обратите внимание, вводной автомат С40 — двухполюсный. Как раз об этом следующий раздел статьи.
Проблема с обрывом нуля
Если на вводе в дом стоят отдельные предохранители на фазе и нейтрали (а раньше во всех домах так и было), и предохранитель нуля сгорает — вся нагрузка оказывается под фазным напряжением, хотя по факту ничего не работает. Так бывает, когда лампочка выключается через нулевой провод, или при обрыве нуля в однофазной сети.
В ПУЭ однозначно указано, что так не должно быть: ПУЭ 3.1.17. При защите сетей предохранителями последние должны устанавливаться на всех нормально незаземленных полюсах или фазах. Установка предохранителей в нулевых рабочих проводниках запрещается.
Не смотря на запрет, это до сих пор встречается в старых домах, где у хозяев нет денег или желания что-то менять в своей жизни:
На фото не предохранители, а их более совершенные аналоги ПАР или предохранитель автоматический резьбовой, но смысл тот же, и стоят они там же. В современных электрощитах разрыв нуля (нейтрального провода) не практикуется, но может быть только в одном случае — на вводе. При этом нейтральный проводник должен разрываться одновременно с фазным или фазными, если их три.
ПУЭ 1.7.145. Не допускается включать коммутационные аппараты в цепи РЕ- и PEN-проводников, за исключением случаев питания электроприемников при помощи штепсельных соединителей.
Допускается также одновременное отключение всех проводников на вводе в электроустановки индивидуальных жилых, дачных и садовых домов и аналогичных им объектов, питающихся по однофазным ответвлениям от ВЛ. При этом разделение PEN-проводника на РЕ- и N-проводники должно быть выполнено до вводного защитно-коммутационного аппарата.
В тексте ПУЭ допущена неточность — «отключение всех проводников». Но в системе TN-S на вводе может быть 3 или 5 проводников, в зависимости от количества фаз. А ведь защитный проводник PE рвать нельзя ни при каких условиях! Разумеется, только если не используется штепсельное соединение. Пишу об этом также в статье про виды заземления.
«Допускается» — это значит «если хочется, то можно». Например, это бывает удобно, чтобы подсоединять провода вводного кабеля на клеммы вводного автомата, а не тянуть «N» на отдельную шину. Кроме того, больше безопасность, ибо автомат отключит питание не только при перегрузке по фазному проводнику, но и по нейтральному (хотя эти токи должны быть равны). Да и «защита от дурака» не помешает — некоторые умельцы не могут отличить нуля от фазы.
То же, но другими словами, сказано в другом месте: ПУЭ 3.1.18. «... Расцепители в нулевых проводниках допускается устанавливать лишь при условии, что при их срабатывании отключаются от сети одновременно все проводники, находящиеся под напряжением».
Для технической реализации одновременного разрыва всех проводников применяется двухполюсный автомат в случае однофазной сети (фото немного выше), и четырехполюсный — в случае трехфазной сети.
Проблема с обрывом фазы в трехфазной сети
Как плохо ставить предохранитель в нейтральный проводник, мы разобрали. В однофазной цепи это опасно, а в трехфазной это приводит к перекосу фаз и поломкам электротехники. Когда в трехфазной сети работает асинхронный двигатель, из-за перекоса фаз ток по оставшимся фазам повышается, а двигатель резко теряет в мощности и перегревается.
Чтобы застраховаться от этого, нужно установить и правильно настроить тепловое реле и/или автомат защиты двигателя. Хорошее дополнение — реле контроля фаз. Оно контролирует уровень напряжения, чередование и обрыв фазы. Вот пример, как я установил реле контроля фаз в винтовой компрессор после того, как его испортили, включив его в другую сторону.
Так вот. Если предохранитель на одной фазе сработает по какой-то причине, это может привести к плохим последствиям, если не предусмотреть защиты, о которых я сказал на абзац выше. Если вместо предохранителя будет стоять автоматический выключатель, он по любому отрубит все три фазы.
Конечно, обрыв фазы может быть не только из-за перегруза и предохранителя, но факт остается фактом — в старых станках, в которых из защиты остались только предохранители на вводе, двигатели горели как свечи.
Трудности с оперативной заменой и отключением предохранителя
Заменить предохранитель — дело одной минуты. Но это если есть опыт и есть сам предохранитель. Но как показывает жизнь, «хорошая мысля приходит опосля», и сгоревший предохранитель может надолго оставить домохозяйство без электроэнергии. А любимый сериал ведь не ждёт!
Сейчас это, когда везде стоят автоматы — воспоминания из детства. Подошёл, включил, и вуаля.
То же самое — при необходимости выключения цепи посредством предохранителя. Если выключить автомат — секундное дело, то для «винтовых» пробковых предохранителей это не только долго, но и опасно. Опасность и в коммутационных перенапряжениях — если выкручивать медленно и под нагрузкой, возникнет искрение вплоть до дуги, что приведет к подгоранию контактов, помехам и порче чувствительной нагрузки.
На моих глазах на первом курсе университета так сгорел БП компьютера «Мазовия» (1980-е годы выпуска) — из него просто нежно вытащили предохранитель, когда он был включен.
Для ножевых предохранителей разрыв цепи ещё более опасен, и для этого нужна ещё специальная рукоятка для съема. Справедливости ради, выключение цепи при помощи предохранителей делается только в аварийных случаях. А у автоматов это — штатная функция.
Безопасность
Когда домашний предохранитель вывинчен, на его патроне остается фазное напряжение. Хорошо, если выполняется требование ПУЭ 3.1.6., которое гласит: «Автоматические выключатели и предохранители пробочного типа должны присоединяться к сети так, чтобы при вывинченной пробке предохранителя (автоматического выключателя) винтовая гильза предохранителя (автоматического выключателя) оставалась без напряжения».
С автоматическим выключателем всё гораздо безопаснее. Особенно хорошо это видно на примере промышленных трехфазных щитов:
Все металлические части, кроме корпуса, — под напряжением, имеют большую площадь, и к ним можно легко прикоснуться. Другое дело — электрощит РУ на основе автоматических выключателей:
Чтобы прикоснуться к токоведущим частям, надо постараться.
Жучки (перемычки, шунты) вместо предохранителей
Ещё один минус, находящийся между «оперативной заменой» и «безопасностью» — это возможность без всякого инструмента восстановить цепь. Это делается (так делать нельзя!) при помощи любого куска проволоки или металла. А ведь сгорел предохранитель не просто так! Он спас электропроводку и жильё от пожара. Хотите жить на пороховой бочке — ставьте «жучок».
Замену предохранителя на больший номинал тоже можно приравнять к установке «жучка».
Какая причина установки «жучка»? Глупость, недальновидность, безответственность, лень, спешка. Вместо того, чтобы иметь в наличии арсенал предохранителей или купить их в случае необходимости. Да, есть даже специальные формулы для расчета «жучков» из проволоки. Но такие перемычки всё равно очень опасны по сравнению с предохранителями.
Плюсы предохранителей
Но раз предохранители применяют по сей день, значит, у них есть и плюсы. Многие из них перевешивают недостатки.
Цена
Пожалуй, это одно из главных достоинств предохранителей. Именно поэтому их применяют там, где большие токи: номинальные и КЗ. Автомат с теми же параметрами будет стоить гораздо больше. Например, если нужна отключающая способность более 25 кА, за ту же цену можно поставить предохранители с теми же параметрами, что и АВ, и запастись предохранителями на десятилетия вперед.
Высокий отключающий ток
Речь идет о номинальной отключающей способности Icn. Конечно, речь идет о устройствах абсолютно разного принципа действия. Тем не менее, если у АВ минимального типоразмера (ВА47-29) отключающая способность составляет в лучшем случае 10 кА, то для ножевых предохранителей минимального типоразмера (000) — 120 кА (при напряжении 400 В), а для цилиндрических плавких вставок размером 10×38 — 50 кА!
Именно поэтому плавкие предохранители ставят в распределительных устройствах и на трансформаторных подстанциях, где высокие токи короткого замыкания. Просто, дёшево и противопожарно.
В оправдание автоматов скажу, что при указанных токах до 10 кА, они могут продолжать работать, а предохранитель нужно сдать в утиль и заменить.
Однофазная нагрузка в трехфазной сети
Это преимущество видно на примере многоквартирного дома. Ввод трехфазный, но вся нагрузка — однофазная. Если каждая фаза защищается предохранителем, в случае его сгорания остальные фазы ничего не почувствуют. Так бывает, когда в подъезде часть квартир остается «без света». Пример — подъездный щиток и электрошкаф ВРУ таганрогской заводской общаги. Слабонервным не смотреть!
Впрочем, в случае с квартирным домом и другой мощной нагрузкой могут возникнуть негативные последствия. В частности, из-за обрыва одной из фаз возникнет перекос фаз, а из-за перекоса фаз — понижение напряжения на остальных фазах и повышение тока в трехфазном нулевом проводе.
В идеальном рабочем режиме (перекос — 0 %) ток в нейтрали трехфазной сети равен нулю. При перекосе фаз напряжение на нейтральной клемме (по отношению к защитному проводнику) будет ненулевым, ток тоже. При обрыве одной из нагрузок напряжение на нейтрали будет стремиться к линейному (380 В).
Защита IP
Предохранитель фактически — кусок металла. В нем нет подвижных частей и регулировок, как в защитных автоматах. Поэтому он может работать в более тяжелых условиях. Ему не нужны герметичные шкафы и чистый сухой воздух.
Гарантия качества
Секрет в том, что после размыкания или КЗ о качестве автомата судить никак нельзя. Остается только надеяться на добросовестность и авторитетность производителя и верить, что покрытие контактов, механика и параметры остались, как в новом автомате. Если же сгорел предохранитель, мы ставим новый, с теми же параметрами. Поэтому их и ставят в особо важное оборудование.
Более того, у автомата нет 100 % гарантии срабатывания. Об этом, конечно никто не скажет. Но повторюсь, автомат — это электромеханика. В нём много втулок, осек, пружинок, рычажков и т. п. И всё это может заклинить, застрять и поломаться. А у предохранителя гарантия срабатывания — 100 %.
Быстродействие и время-токовая характеристика
Для полупроводниковых цепей очень важно быстродействие защиты. Я уже писал об этом в статье про подключение и защиту твердотельных реле. Существуют специальные быстродействующие предохранители для этой цели. В частности, производители преобразователей частоты настоятельно рекомендуют устанавливать на вводе питания именно предохранители, а не автоматы.
Инструкцию к частотнику Delta VFD-EL можно скачать в моей статье про установку преобразователя частоты в станок полировки верха обуви.
Впрочем, бывают оговорки — допускается установка АВ с характеристикой отключения типа «В», которые быстрее срабатывают при КЗ. Но для этого нужно ограничивать ток КЗ:
Время-токовые характеристики предохранителей сильно отличаются от ВТХ защитных автоматов. Вот характеристика предохранителя «KTK-R Class CC Limitron™ fast-acting, rejection-type fuse», о котором говорится выше на скрине из инструкции к частотнику:
Как видно, при КЗ предохранитель бескомпромиссно разрывает цепь за миллисекунды. Это говорит о хорошем токоограничении предохранителя при КЗ. Например, предохранитель с In=10 A сгорает за время 0,01 сек. при 100 А. В то же время, есть предохранители с тем же номиналом, срабатывающие за то же время при токе более 1000 А.
Селективность
Тут всё проще, чем у автоматических выключателей. Статья по селективности АВ будут позже, а по предохранителям скажу, что для полной селективности номиналы предохранителей одного типа должны отличаться не менее чем в 1,6 раза (у АВ — не менее 2,5).
Гашение дуги
Каждый видел при выключении автомата вспышку. Не смотря на то, что в нём есть дугогасительные камеры, всегда есть искра, которая может сослужить плохую службу в плане взрывоопасности. В предохранителе разрушение цепи происходит легко и незаметно — внутри корпуса. Для более тщательного гашения энергии дуги используют кварцевый песок.
Примеры применения предохранителей
РУ, электрощиты
Промышленное оборудование
Тут при срабатывании любого из трех предохранителей рвется аварийная цепь, и всё останавливается:
Тема предохранителей обширна и многогранна. Я не привёл и процента от всей существующей информации. Но надеюсь, эта статья дала ответы на некоторые вопросы.
Автор: Александр Ярошенко/«СамЭлектрик.ру»
