§ 49. Короткое замыкание. Предохранители

ПРИЧИНЫ ПЕРЕГРУЗКИ ЦЕПИ И КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ

Для любой электрической цепи существует строго определённая максимально допустимая сила тока. Это предельное значение рассчитывается заранее на этапе проектирования здания и зависит от суммарной мощности потребителей, для питания которых предназначена данная линия. Исходя из этой расчётной величины, инженеры подбирают проводники соответствующего поперечного сечения и материал изоляции: чем толще медная жила кабеля, тем большую силу тока она способна пропускать без перегрева.

Однако в реальной жизни расчётные параметры сети могут грубо нарушаться. Первая распространённая причина аварий — перегрузка электрической цепи. При параллельном подключении бытовых приборов общее сопротивление цепи уменьшается, а суммарный ток, идущий по подводящим проводам от щитка, равен сумме токов во всех включённых приборах. Если в одну розетку через тройники и удлинители одновременно включить стиральную машину, электрический чайник, обогреватель и утюг, сила тока в магистральных проводах превысит допустимую норму. Подводящие провода начнут сильно разогреваться, изоляция станет плавиться и обугливаться, что создаёт прямую угрозу пожара.

Вторая и гораздо более опасная аварийная ситуация — короткое замыкание. Коротким замыканием называют явление резкого возрастания силы тока в цепи при катастрофическом уменьшении её полного электрического сопротивления.

Короткое замыкание происходит тогда, когда электрический ток находит путь наименьшего сопротивления в обход полезной нагрузки. Типичные причины замыкания:

• механическое повреждение или старение изоляции подводящих проводов;
• случайное соприкосновение оголённых токоведущих жил («провода закоротили»);
• ошибки и неосторожность при ремонте проводки и электроприборов под напряжением;
• попадание металлического предмета или токопроводящей жидкости внутрь розетки или корпуса прибора.

Физика короткого замыкания описывается законом Ома для участка цепи: $I = \frac{U}{R}$. В нормальном режиме работы цепи сопротивление потребителя (например, нагревательной спирали или лампы) составляет десятки или сотни ом, поэтому сила тока невелика. Но если ток замыкается напрямую через соприкоснувшиеся медные провода, сопротивление цепи падает практически до нуля ($R \to 0$, сопротивление составляет лишь сотые доли ома). Поскольку напряжение в бытовой сети поддерживается постоянным (220 В), сила тока мгновенно подскакивает до сотен и тысяч ампер!

По закону Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока: $Q = I^2 R t$. Так как сила тока $I$ входит в формулу во второй степени, увеличение тока всего в 10 раз приводит к возрастанию выделяемого тепла в 100 раз. При коротком замыкании провода за доли секунды раскаляются докрасна, изоляция мгновенно воспламеняется с выбросом искр и электрической дуги, что неминуемо ведёт к пожару и разрушению электросети.

УСТРОЙСТВО И НАЗНАЧЕНИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Чтобы предотвратить перегрев проводки и защитить жилище от пожара при перегрузках и коротких замыканиях, в электрические цепи обязательно включают защитные устройства — предохранители.

Главное назначение любого предохранителя — автоматически и практически мгновенно обесточить цепь (разомкнуть контакты), как только сила тока в ней превысит максимально допустимое безопасное значение. Предохранитель всегда включается в цепь последовательно с защищаемыми приборами, чтобы при его срабатывании ток прекращался во всей контролируемой линии.

В современной технике и электроснабжении применяются два основных типа предохранителей: плавкие предохранители и автоматические выключатели.

ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Плавкий предохранитель (рис. 114, а) представляет собой одноразовое защитное устройство. Его основой служит стеклянная, керамическая или фарфоровая трубка с металлическими колпачками на концах. Внутри трубки натянута калиброванная тонкая проволока, изготовленная из металла или сплава с низкой температурой плавления (обычно применяются свинец, олово или их сплавы, а также цинк или тонкая лужёная медь).

Принцип работы плавкого предохранителя:

1. Сечение и состав проволоки подбираются с таким расчётом, чтобы она свободно выдерживала номинальную силу тока цепи.
2. При возникновении короткого замыкания или длительной опасной перегрузки резко возросший ток мгновенно разогревает тонкую вставку до температуры плавления.
3. Легкоплавкая проволока перегорает и испаряется значительно быстрее, чем успевают опасно нагреться толстые медные жилы домашней электропроводки.
4. Цепь разрывается, и ток прекращается, предотвращая возгорание.

Главная особенность плавкого предохранителя — его одноразовость. Сработавший предохранитель необходимо заменить на новый точно такого же номинала.

⚠️ Смертельно опасная ошибка: Категорически запрещается вместо штатного перегоревшего предохранителя устанавливать случайные толстые медные проволоки, гвозди или скрепки («жучки»). «Жучок» не расплавится при аварии, в результате чего загорятся сами скрытые в стенах провода, что приводит к тяжёлым пожарам.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ (БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПЛАСТИНЫ)

Более совершенными и удобными являются автоматические предохранители (автоматические пробки и современные модульные автоматические выключатели, рис. 114, б). Их главное преимущество — многоразовость: они не разрушаются при срабатывании и не требуют замены деталей.

Действие автоматического предохранителя основано на фундаментальном физическом явлении — неодинаковом тепловом расширении различных металлов при нагревании.

Сердцем такого автомата является биметаллическая пластина (рис. 115):

• Слово «биметаллическая» происходит от латинского bi — двойной. Пластина состоит из двух прочно скреплённых (спаянных или спрессованных) полос из разных металлов одинаковой длины и толщины.
• Металлы подбираются с резко различающимися коэффициентами теплового линейного расширения. Например, одна пластина изготавливается из латуни или меди (сильно расширяется при нагреве), а вторая — из инвара или специальной стали (практически не меняет длины при нагревании).

Механизм работы автоматического предохранителя:

1. В дежурном режиме рабочий ток проходит через биметаллическую пластину. Нагрев при этом незначителен, и пластина сохраняет прямолинейную форму.
2. При перегрузке или коротком замыкании сила тока превышает допустимый порог, и пластина начинает интенсивно греться.
3. Так как один металл при нагреве удлиняется значительно сильнее другого, а разъединиться они не могут, вся биметаллическая пластина вынужденно изгибается дугой в сторону менее расширяющегося металла (рис. 115, б).
4. Изгибаясь, свободный конец пластины нажимает на спусковой рычаг замка, контакты мгновенно размыкаются под действием встроенной пружины, и электрическая цепь обесточивается.
5. После остывания биметаллическая пластина возвращается в исходное прямое состояние. Пользователю достаточно лишь устранить причину замыкания и нажать кнопку на корпусе автомата (или взвести тумблер), чтобы снова замкнуть контакты и вернуть прибор в рабочее состояние.