Rodzaje bezpieczników

Każdy system elektryczny działa na zasadzie bilansu dostarczanej i zużywanej energii. Kiedy napięcie jest przykładane do obwodu elektrycznego, jest ono przykładane do określonej rezystancji w obwodzie. W rezultacie, w oparciu o prawo Ohma, generowany jest prąd, którego działanie jest wykonywane.

W przypadku uszkodzeń izolacji, błędów montażowych, trybu awaryjnego rezystancja obwodu elektrycznego stopniowo maleje lub gwałtownie spada. Prowadzi to do odpowiedniego wzrostu prądu, który przy przekroczeniu wartości nominalnej powoduje uszkodzenia sprzętu i ludzi.

Kwestie bezpieczeństwa zawsze były i zawsze będą istotne przy korzystaniu z energii elektrycznej. Dlatego szczególną uwagę stale zwraca się na urządzenia ochronne. Pierwsze takie konstrukcje, zwane bezpiecznikami, są nadal szeroko stosowane.

Bezpiecznik elektryczny jest częścią obwodu roboczego, jest przecięty na odcinku przewodu zasilającego, musi niezawodnie wytrzymać obciążenie robocze i chronić obwód przed występowaniem nadmiernych prądów.Ta funkcja jest podstawą klasyfikacji prądu znamionowego.

Zgodnie z zastosowaną zasadą działania i sposobem przerywania obwodu, wszystkie bezpieczniki dzielą się na 4 grupy:

1. z elementem topliwym;

2. projektowanie elektromechaniczne;

3. Oparte na elementach elektronicznych;

4. samonaprawiające się modele o nieliniowych właściwościach odwracalnych po zadziałaniu przetężenia.

Gorące łącze

Bezpieczniki tej konstrukcji zawierają element przewodzący, który pod wpływem prądu przekraczającego ustawioną wartość nominalną topi się z powodu przegrzania i odparowuje. To usuwa napięcie z obwodu i chroni go.

Łączniki topliwe mogą być wykonane z metali takich jak miedź, ołów, żelazo, cynk lub niektóre stopy, które mają współczynnik rozszerzalności cieplnej zapewniający właściwości ochronne sprzętu elektrycznego.

Charakterystyki ogrzewania i chłodzenia przewodów urządzeń elektrycznych w stacjonarnych warunkach pracy pokazano na rysunku.

Działanie bezpiecznika przy obciążeniu projektowym jest zapewnione poprzez stworzenie niezawodnej równowagi temperaturowej między ciepłem uwalnianym na metalu przez przepływanie przez niego roboczego prądu elektrycznego a odprowadzaniem ciepła do otoczenia w wyniku rozpraszania.

W przypadku trybów awaryjnych równowaga ta zostaje szybko zakłócona.

Metalowa część bezpiecznika zwiększa wartość swojej rezystancji czynnej po podgrzaniu. Powoduje to większe nagrzewanie, ponieważ wytwarzane ciepło jest wprost proporcjonalne do wartości I2R. Jednocześnie ponownie wzrasta opór i wytwarzanie ciepła. Proces przebiega jak lawina, aż do momentu stopienia, wrzenia i mechanicznego zniszczenia bezpiecznika.

Gdy obwód zostanie zerwany, wewnątrz bezpiecznika powstaje łuk elektryczny. Do momentu całkowitego zaniku przepływa przez nią niebezpieczny dla instalacji prąd, który zmienia się zgodnie z charakterystyką pokazaną na poniższym rysunku.

Głównym parametrem pracy bezpiecznika jest jego prąd charakterystyczny w czasie, który określa zależność wielokrotności prądu awaryjnego (w stosunku do wartości nominalnej) od czasu zadziałania.

Aby przyspieszyć działanie bezpiecznika przy niskich prądach awaryjnych, stosuje się specjalne techniki:

• tworzenie zmiennych kształtów przekrojów z obszarami o zmniejszonej powierzchni;

• wykorzystując efekt metalurgiczny.

Zakładka Zmień

Gdy płytki się zwężają, opór wzrasta i wytwarza się więcej ciepła. Podczas normalnej pracy energia ta ma czas na równomierne rozłożenie się po całej powierzchni, aw przypadku przeciążenia w wąskich miejscach tworzą się strefy krytyczne. Ich temperatura szybko osiąga stan, w którym metal topi się i przerywa obwód elektryczny.

Aby zwiększyć prędkość, płytki są wykonane z cienkiej folii i są stosowane w kilku warstwach połączonych równolegle. Wypalanie każdego obszaru jednej z warstw przyspiesza działanie ochronne.

Zasada efektu metalurgicznego

Opiera się na właściwości niektórych niskotopliwych metali, na przykład ołowiu lub cyny, do rozpuszczania bardziej ogniotrwałej miedzi, srebra i niektórych stopów w ich strukturze.

Aby to zrobić, krople cyny są nakładane na skręcone druty, z których wykonane jest topliwe ogniwo.W dopuszczalnej temperaturze metalu drutów dodatki te nie dają żadnego efektu, ale w trybie awaryjnym szybko topią się, rozpuszczają część metalu nieszlachetnego i zapewniają przyspieszenie działania bezpiecznika.

Skuteczność tej metody przejawia się tylko na cienkich drutach i znacznie spada wraz ze wzrostem ich przekroju.

Główną wadą bezpiecznika jest to, że po zadziałaniu należy go ręcznie wymienić na nowy. Wymaga to utrzymywania ich zapasów.

Bezpieczniki elektromechaniczne

Zasada wcinania urządzenia zabezpieczającego w przewód zasilający i zapewnienia jego przerwania w celu uwolnienia napięcia pozwala zaklasyfikować tworzone do tego celu wyroby elektromechaniczne jako bezpieczniki. Jednak większość elektryków klasyfikuje je w osobnej klasie i nazywa wyłączniki automatyczne lub w skrócie automaty.

Podczas ich działania specjalny czujnik stale monitoruje wartość przepływającego prądu. Po osiągnięciu wartości krytycznej do napędu wysyłany jest sygnał sterujący — napięta sprężyna z wyzwalacza termicznego lub magnetycznego.

Bezpieczniki elementów elektronicznych

W tych konstrukcjach funkcję zabezpieczania obwodu elektrycznego przejmują bezdotykowe łączniki elektroniczne oparte na elementach półprzewodnikowych mocy diod, tranzystorów lub tyrystorów.

Są to tak zwane bezpieczniki elektroniczne (EP) lub moduły kontroli prądu i przełączania (MKKT).

Jako przykład na rysunku przedstawiono schemat blokowy przedstawiający zasadę działania bezpiecznika tranzystorowego.

Obwód sterujący takiego bezpiecznika usuwa sygnał zmierzonej wartości prądu z bocznika rezystancyjnego.Jest on modyfikowany i przykładany do wejścia izolowanej bramki półprzewodnikowej Tranzystor polowy typu MOSFET. 

Kiedy prąd płynący przez bezpiecznik zaczyna przekraczać dopuszczalną wartość, brama zamyka się, a obciążenie zostaje wyłączone. W takim przypadku bezpiecznik jest przełączany w tryb samoblokujący.

Jeśli w obwodzie stosuje się dużo nadzoru wideo, określenie przepalonego bezpiecznika staje się trudne. Dla ułatwienia odnalezienia wprowadzono funkcję sygnalizacji „Alarm”, którą można wykryć mrugnięciem diody LED lub wyzwoleniem przekaźnika stałego lub elektromechanicznego.

Takie elektroniczne bezpieczniki działają szybko, ich czas reakcji nie przekracza 30 milisekund.

Omówiony powyżej schemat jest uważany za prosty, można go znacznie rozszerzyć o nowe dodatkowe funkcje:

• ciągłe monitorowanie prądu w obwodzie obciążenia z tworzeniem poleceń wyłączenia, gdy prąd przekracza 30% wartości nominalnej;

• wyłączenie strefy chronionej w przypadku zwarć lub przeciążeń z sygnałem, gdy prąd w obciążeniu wzrośnie powyżej 10% nastawy;

• ochrona elementu mocy tranzystora w przypadku temperatur powyżej 100 stopni.

W przypadku takich schematów stosowane moduły ICT są podzielone na 4 grupy czasu odpowiedzi. Najszybsze urządzenia są klasyfikowane jako klasa «0». Przerywają prądy przekraczające nastawę o 50% do 5 ms, o 300% w 1,5 ms, o 400% w 10 μs.

Bezpieczniki samonaprawiające się

Te urządzenia zabezpieczające różnią się od bezpieczników tym, że po wyłączeniu obciążenia awaryjnego zachowują swoją funkcjonalność do dalszego wielokrotnego użytku.Dlatego nazwano je samoleczącymi.

Konstrukcja oparta jest na materiałach polimerowych o dodatnim współczynniku temperaturowym oporu elektrycznego. Mają krystaliczną strukturę sieciową w normalnych, normalnych warunkach i gwałtownie przekształcają się w stan amorficzny po podgrzaniu.

Charakterystyka wyzwalania takiego bezpiecznika jest zwykle podawana jako logarytm rezystancji w funkcji temperatury materiału.

Kiedy polimer ma sieć krystaliczną, dobrze jest, podobnie jak metal, przewodzić prąd. W stanie amorficznym przewodnictwo jest znacznie obniżone, co zapewnia wyłączenie obciążenia w przypadku wystąpienia nieprawidłowego trybu.

Bezpieczniki takie stosowane są w urządzeniach zabezpieczających w celu wyeliminowania występowania powtarzających się przeciążeń, gdy wymiana bezpiecznika lub ręczne działania operatora są utrudnione. Jest to dziedzina automatycznych urządzeń elektronicznych szeroko stosowanych w technice komputerowej, gadżetach mobilnych, technice pomiarowej i medycznej oraz pojazdach.

Na niezawodne działanie bezpieczników samoresetujących ma wpływ temperatura otoczenia i wielkość przepływającego przez nie prądu. W celu rozliczenia wprowadzone zostały warunki techniczne:

• prąd transmisji, zdefiniowany jako maksymalna wartość w temperaturze +23 st. C, która nie powoduje wyzwolenia urządzenia;

• prąd roboczy, jako minimalna wartość, która w tej samej temperaturze prowadzi do przejścia polimeru w stan amorficzny;

• maksymalna wartość zastosowanego napięcia roboczego;

• czas odpowiedzi mierzony od momentu wystąpienia prądu awaryjnego do wyłączenia obciążenia;

• rozpraszanie mocy, które określa zdolność bezpiecznika w temperaturze +23 stopni do przekazywania ciepła do otoczenia;

• początkowy opór przed podłączeniem do pracy;

• opór osiąga 1 godzinę po zakończeniu operacji.

Samonaprawiające się ochraniacze mają:

• małe rozmiary;

• szybka odpowiedź;

• Stabilna praca;

• połączona ochrona urządzeń przed przeciążeniem i przegrzaniem;

• nie ma potrzeby konserwacji.

Odmiany konstrukcji bezpieczników

W zależności od zadań tworzone są bezpieczniki do pracy w obwodach:

• instalacje przemysłowe;

• domowe urządzenia elektryczne ogólnego użytku.

Ponieważ pracują w obwodach o różnych napięciach, obudowy mają charakterystyczne właściwości dielektryczne. Zgodnie z tą zasadą bezpieczniki dzielą się na struktury, które działają:

• z urządzeniami niskiego napięcia;

• w obwodach do 1000 woltów włącznie;

• w obwodach urządzeń przemysłowych wysokiego napięcia.

Konstrukcje specjalne obejmują bezpieczniki:

• materiał wybuchowy;

• perforowany;

• z wygaśnięciem łuku w przypadku otwarcia obwodu w wąskich kanałach drobnoziarnistych wypełniaczy lub powstaniem wybuchu autogazu lub cieczy;

• dla pojazdów.

Ograniczony prąd zwarciowy bezpiecznika może wahać się od ułamków ampera do kiloamperów.

Czasami elektrycy zamiast bezpiecznika instalują skalibrowany przewód w obudowie. Ta metoda nie jest zalecana, ponieważ nawet przy dokładnym doborze przekroju rezystancja elektryczna drutu może różnić się od zalecanej ze względu na właściwości samego metalu lub stopu. Taki bezpiecznik na pewno nie zadziała.

Jeszcze większym błędem jest przypadkowe użycie domowych „robaków”.Są najczęstszą przyczyną wypadków i pożarów instalacji elektrycznych.