Изобретаем предохранитель

Давайте изобретем, в просветительских целях предохранитель? Казалось бы, что может быть проще, тонкая проволочка в стеклянной трубочке, которую вы много раз видели:

Но не все так просто, что бы это продемонстрировать поставим себя на место производителя.

Купив тонкой медной проволоки разных диаметров, стеклянной трубки и колпачков, нарежем трубочки, вставим проволочку, закроем колпачками, упакуем в коробки и напишем в рекламном буклете:
«Новейшее средство защиты ваших электрических цепей от токов короткого замыкания и от перегрузки! С нашими инновационными предохранителями ваши электроустановки не будут загораться при коротком замыкании! Быстрые, качественные, недорогие! Всего по 9,99 руб» Можно даже сделать парочку рекламных буклетов:

К слову тут стоит сказать (не зря же я рылся в архивах столько времени) что в 1890-1910 годы в ходу были предохранители в виде простой открытой перемычки, и продавались катушки проволоки для таких перемычек.

И тут встает первый вопрос — а какой ток на них написать? Первое же желание написать на них ток, при котором они будут отключаться. Ну например, написать 10А, тогда понятно, что при токе в 9,99А предохранитель в норме, а при токе 10А р-р-раз и перегорел. Но увы, это невозможно, потому что мы живем в неидеальном мире, где поставщик проволоки не может обеспечить номинальный диаметр, который гуляет в пределах +/-0,01 мм. У потребителя температура тоже разная, на стенде при комнатной температуре предохранитель срабатывает при 10А, а на морозе вообще при 13А. Что бы не оказаться в глупом положении напишем на корпусе номинальный ток:

номинальный ток плавкой вставки — Значение тока, который плавкая вставка может длительно проводить в установленных условиях без повреждений. (ГОСТ Р 50339.0-2003)

Получилось удобно. Знаешь максимально допустимую нагрузку  — такой предохранитель и ставь, при коротком замыкании сгорит точно. А вот если хочется знать точную величину тока, при которой сгорит — печатаем в документации кучу таблиц поправок — и на температуру воздуха, и на скорость воздушного потока, и на высоту над уровнем моря — разряженый воздух хуже отводит тепло, и на температуру контактов…. Но самое важное выразим вот таким графиком, который назовем время-токовой характеристикой:

из графика видно — чем сильнее превышен ток, тем быстрее сгорает предохранитель.

Продажи идут, и к нам приходят электрики, говорят мы замучились с вашими предохранителями, в свете фонарика вынимать по одному в поисках сгоревшего. Специально для электриков делаем флажок-индикатор, который выскакивает, если проволочка перегорела. Ну и конечно, это «инновационный предохранитель с функцией индикации сработавшего, для удобства потребителя и экономии времени электрика». Радуемся, что появилось выражение «выбило пробки» благодаря такой нехитрой рационализации.

Поступают первые жалобы, говорят предохранитель сработал, но  разрыв получился маленьким, и его начало иногда пробивать искрой. Получилось нехорошо, вроде как предохранитель сгорел разорвав цепь, но иногда через зазор проскакивает искра и нагрузка оказывается под напряжением. Почесав затылок, начинаем писать на предохранителе рабочее напряжение. Оказалось, что наши предохранители нормально работали на 220В, а покупатель запихнул их в цепь защиты высокого напряжения микроволновки, где 2000В. Для таких условий добавим в высоковольтную модель пружинку — она растащит концы перегоревшей проволочки, что бы точно был зазор:

Сидим в офисе, пьем кофе, и к нам в офис прибегает злющий электрик. Говорит что в щитке взорвался наш предохранитель, да так мощщно, что осколками чуть не убило. Успокоив электрика выясняем, что в момент перегорания проволочки в месте разрыва зажигается электрическая дуга, которая сама по себе ток проводит и в воздухе горит. А если ток через нее очень большой — то сама уже не затухает. Модернизируем предохранитель — меняем стекло корпуса на более крепкую керамику. Засыпаем внутреннее пространство между корпусом и проволочкой кварцевым песком, оказалось, что это помогает погасить дугу, пока она не разорвала корпус предохранителя. Так получаем уже довольно брутальный предохранитель:

Что бы больше взрывов не повторялось, начнем писать на корпусе отключающую способность:

отключающая способность плавкой вставки: Значение (для переменного тока — действующее значение симметричной составляющей) ожидаемого тока, который способна отключать плавкая вставка при установленном напряжении в установленных условиях эксплуатации и обслуживания. (ГОСТ Р 50339.0-2003)

А вот так весело в каталоге EATON показывают, что будет, если предохранитель с отключающей способностью на 10 000А заставить разрывать цепь при протекании тока в 50 000А:

Вроде можно вернуться к попиванию кофе в офисе, но у нас новые гости с радикально противоположными претензиями. Пришедший электронщик говорит, что наши предохранители говно, потому что слишком медленные, и пока они сработают у него все полупроводники уже успели догореть. А пришедший энергетик говорит, что наши предохранители говно, потому что слишком быстрые, пока у него двигатель вентилятора разгоняется — секунд десять кушает стартовые токи, превышающие номинальные в несколько раз. Вроде как бы превышение, но вынужденное и даже нормальное, если недолго, но предохранитель успевает сгореть.

Вносим изменения в конструкцию предохранителей. Для замедления увеличим длину проволочки, тем самым увеличив ее тепловую инерцию, да еще и накрутим на стекловолокно — теперь при превышении тока она будет нагреваться медленнее, и может даже ток успеет вернуться в норму прежде, чем она расплавится.

Совсем медленный предохранитель делаем так — припаиваем пружинку легкоплавким припоем к нагревателю, в качестве которого будет низкоомный резистор или даже кусок проволоки. Если будет короткое замыкание — током пружинку расплавит сразу. Если же превышение тока будет небольшим — капля припоя будет нагреваться от потерь в резисторе, и если пройдет достаточно времени — капля расплавится и пружинка разорвет цепь.

Для ускорения будем использовать металлургический эффект (в англоязычной литературе просто M-effect, вроде как из-за того что его обнаружил в 1930е проф. A.W.Metcalf) — на проволочку нанесем каплю олова. Когда из-за протекающего тока проволочка нагреется до температуры плавления олова, жидкое олово начнет растворять медь, сечение начнет уменьшаться (олово проводит ток хуже меди в разы), нагрев усилится и такая конструкция перегорает быстрее, чем просто проволочка.

Довольные собой расширяем каталог, введя дополнительную маркировку скорости работы предохранителей:

FF: Ультрабыстрые (very quick acting, Ultra rapid)— для защиты полупроводниковых приборов
F: Быстродействующие, или стандартные (Quick-acting, Fast, Standard).
M: С небольшой временной задержкой (Medium time lag).
T: С временной задержкой (Time-lag).
TT: С большой временной задержкой (Super time-lag).

По ГОСТ обозначения будут такие:
Первая буква обозначает диапазон токов, в которых предохранитель отключается.
g — если перегорает при любом превышении,
a — перегорает при большом превышении (т.е. только при коротких замыканиях, но не при перегрузке).

Вторая буква — категорию примерения, которая учитывает необходимую скорость срабатывания:
G— (General purpose) Общего применения, обычная скорость.
R— (Rectifiers), иногда S (Semiconductor) для использования с полупроводниковыми ключами, очень быстрые.
M— (Motor) Для применения с моторами, медленные
PV— (Photovoltaic) — для солнечных батарей
N— Совместим по контактам с используемыми в северной америке предохранителями стандарта UL 248
D -Совместим по контактам с используемыми в северной америке замедленными предохранителями для двигателей UL248

Под вечер в офисе звонит телефон, и клиентка жалуется, что когда замкнуло плойку, из-за короткого замыкания сгорел предохранитель в плойке, на вводе в квартиру, в этажном щитке и даже на вводе в здание! Формально случилось короткое замыкание, ток в цепи мгновенно вырос до неприличных значений и предохранители сгорели. Вздохнув и припомнив проектантов рассказываем, что это не проблема конструкции предохранителя, а проблема правильного применения, и рассказываем про селективность:

селективность при сверхтоке: Координация соответствующих характеристик двух или более устройств для защиты от сверхтоков с таким расчетом, чтобы при появлении сверхтоков в установленных пределах срабатывало устройство, рассчитанное на эти пределы, в то время как другие устройства не срабатывали. (ГОСТ Р 50339.0-2003)

Если соблюсти селективность, то при коротком замыкании будет срабатывать предохранитель ближайший к короткому замыканию, даже если все предохранители соединены последовательно в одной цепи. Тоесть у клиентки бы сгорел предохранитель в плойке. Если бы короткое замыкание было в розетке — то сгорел бы предохранитель на вводе в квартиру, а этажный и на вводе в дом остался бы цел.
Для соблюдения селективности нужно лишь, что бы отношение номинальных токов предохранителей было не менее 1,6 к 1. (При условии, что предохранители одного типа gG, если предохранители разные, например gG и aR то тут внимательно нужно смотреть документацию). Если вы посмотрите на картинку с графиком время-токовых характеристик, то все сразу станет понятно, кривые токов плавления предохранителей параллельны и не пересекаются, так что в определенных рамках, если соблюсти отношение 1,6 к 1 селективность будет соблюдена. Тоесть, если бы в плойке был предохранитель на 6А, на вводе в квартиру на 16А, на этаже на 25А, а на вводе в здание на 40А, то предохранители срабатывали бы селективно.

Уже собравшись домой, буквально в дверях нас перехватывает SMMщик. Говорит пользователь  Anonymous_troll написал вконтакте, что «ваши предохранители — устаревшее говно мамонта, есть автоматические выключатели». Успокоившись, пишем ответный комментарий, что пользователь во многом прав, но есть несколько нюансов, благодаря которым предохранители точно не умрут ближайшие лет 100, как они уже сотню лет прожили.

1. Дешевле защиты от сверхтоков не придумать. Особенно разница заметна, если вы посмотрите сколько стоит предохранитель на 250А и сколько стоит автоматический выключатель на 250А
2. Отключающая способность предохранителя гораздо выше, чем отключающая способность автоматического выключателя сопоставимых габаритов.
3. Минимально возможная индуктивность. При работе в некоторых цепях это важно, особенно с ограничителями импульсных перенапряжений.

А можно ли ремонтировать предохранители?

Вопрос хороший и интересный. В конце 19 века уже рекламировались ремонтопригодные предохранители:

Как видно из текста поста — просто так отремонтировать предохранитель на коленке нельзя, только если завод выпускает ремкомплекты. Если попытаться отремонтировать предохранитель подручными средствами — то характеристики изделия будут малопредсказуемыми. Если способность разрывать цепь при коротком замыкании он сохранит, то как будет себя вести при небольшой перегрузке — вопрос. Что будет с временем срабатывания — тоже лотерея. Поэтому, на мой взгляд, «ремонт» предохранителя при помощи замены проволочки на сопоставимую может иметь смысл только если нужно срочно запустить прибор в работу здесь и сейчас, а ремонтирующий понимает, что делает. Ну и само собой никаких «жуков» — при плавке проволочка металлизирует все вокруг.

Ну и рассказ был бы не полным, если не затронуть самовосстанавливающиеся предохранители. Это весьма специфическая вещь, выглядят они вот так:

Они изготовлены из специального материала, который резко повышает свое электрическое сопротивление при нагреве, почти скачкообразно. Если ток превышает номинальный, предохранитель нагревается и разрывает цепь. Если короткое замыкание ликвидировали, он остынет и снова будет проводить ток, как тепловое реле, но без движущихся частей. Но есть ряд недостатков:

• Рабочее напряжение не выше 50-60 вольт
• Когда предохранитель срабатывает — через него продолжается утечка тока, на порядки меньше номинального тока, но достаточная, что бы о ней помнить
• Медленные
• Зависят от температуры среды, в корпусе горячего устройства на жаре могут давать ложные срабатывания.

Зачем они такие нужны? Ну например для защиты USB порта, если в него воткнут что-то излишне мощное — предохранитель не даст сжечь дорожки на плате. Пользователь, уяснив, что устройство не работает его отсоединяет, предохранитель остывает и порт снова готов к работе. Штука очень нишевая и за пределами электроники почти не встречается.

Для любителей послушать — видео, которое пересказывает текст поста:

Что почитать для углубления своих знаний? На русском языке:

1. Книга К.К. Намитоков, Р.С. Хмельницкий, К.Н.Аникеева. Плавкие предохранители. М.: Энергия 1979.
2. Собственно сам ГОСТ IEC 60269-1-2016 Предохранители плавкие низковольтные. Часть 1. Общие требования

Источники на английском языке:

1. Замечательная статья Артура Стила в журнале Electronic World 1965 года про правильный подбор предохранителей: https://www.rfcafe.com/references/electronics-world/selecting-proper-fuse-august-1965-electronics-world.htm
2. Простое и доступное руководство по предохранителям «fuseology», там есть все и по расчетам и по устройству предохранителей. http://www.cooperindustries.com/content/dam/public/bussmann/Electrical/Resources/technical-literature/bus-ele-br-10757-fuseology.pdf