Принцип роботи захисної апаратури

Захисна апаратура - це пристрої, розроблені для захисту електричної схеми від надлишкового тепла, що утворюється при перевищенні електричного струму.

Електричний струм, що проходить через опір провідника, генерує тепло відповідно до закону Джоуля Ленца:

Q = I² ∙ R ∙ t, де:

Q – кількість теплоти, Дж;

I - сила струму, що протікає електричним ланцюгом, А;

R - опір електричного кола, Ом;

t - час впливу електричного струму, с.

Таким чином, збільшення електричного струму змушує потужність, розсіяну дротом (що виділяється у вигляді тепла) збільшуватися нелінійно. Наприклад, якщо збільшити силу струму, що тече через провід, у 10 разів, кількість тепла, яке провід має розсіяти, збільшиться у 100 разів.

Якщо електричний струм, що протікає через захисну апаратуру (далі умовно - запобіжник), перевищує номінальне значення, тепла, що виникає, недостатньо для миттєвого спрацювання запобіжника.

Справа в тому, що згідно з формулою для спрацьовування запобіжника необхідне поєднання як потужності, що виділяється, так і часу її впливу. Час спрацьовування запобіжника, розрахованого на 30 А, може становити кілька хвилин при силі струму в ланцюгу, що дорівнює 40 А. Той же запобіжник може спрацювати менше, ніж за секунду, якщо струм ланцюга становитиме 100 А.

Запобіжники відрізняються великим або малим часом спрацьовування. Причина цього в тому, що іноді необхідно дозволити запобіжнику пропустити високий пусковий струм. Пусковий струм – це високе значення електричного струму, що виникає при включенні деяких споживачів. Пристрої з високими пусковими струмами, такі як електродвигуни, характеризуються високим значенням початкового струму, який швидко зменшується. Електродвигуни вимагають високого значення пускового струму, оскільки двигун, який не обертається, має дуже незначний опір.

Електродвигун із номінальним струмом 10 А може вимагати 100 А в початковий момент часу. Як тільки електродвигун починає обертатися, у ньому індукується електрорушійна сила (ЕРС), спрямована назустріч прикладеній напрузі, значно послаблюючи споживаний електродвигуном струм. На той час, коли електродвигун досягає робочої частоти обертання валу (зазвичай, це триває кілька секунд), він споживає трохи більше номінальної сили струму, на яку розрахований.

Запобіжник, що захищає ланцюг електродвигуна, повинен бути здатний пропускати високий пусковий струм електродвигуна без спрацьовування, навіть якщо значення пускового струму в багато разів перевищує номінальне значення запобіжника.

Можливі дві причини виникнення підвищеного струму в електричному ланцюзі: підвищена напруга або зниження опору. Номінальна напруга бортової мережі - це 12 або 24 В. Напруга бортової мережі зазвичай не збільшується значно вище за 15 або 30 В завдяки наявності акумуляторної батареї. При виході з ладу регулятора напруги напруга генератора може значно збільшитись, підвищуючи струм таких споживачів, як лампи системи освітлення. Тому деякі запобіжники, що захищають електроустаткування автомобілів, можуть спрацювати через несправність регулятора напруги системи електропостачання.

Струм у ланцюгу також збільшиться вище номінального при зменшенні опору електричного ланцюга. Це основна причина спрацьовування більшості запобіжників. Опір ланцюга може зменшитися при включенні додаткових споживачів. Оскільки електрообладнання автомобіля включено за однопровідною схемою, загальним негативним полюсом («мінусом») якої є кузов автомобіля («маса»), будь-який доданий опір (споживач) виявляється включеним паралельно до існуючого.

Паралельне з'єднання споживачів призводить до значного зниження загального опору ланцюга. Закон Ома говорить, що при зниженні опору при незмінній величині напруги електричний струм у ланцюгу збільшиться.

Таким чином, додавання споживачів в електричну схему призводить до збільшення електричного струму, що протікає через запобіжник, отже, до спрацьовування запобіжника. Запобіжник, що спрацьовує через надмірний електричний струм, захищає провідне з'єднання від перегріву. Заміна запобіжника, який продовжує спрацьовувати після заміни, на запобіжник з великим номіналом може призвести до перегріву провідника та займання його ізоляції.

Іншою причиною спрацювання запобіжника може стати коротке замикання в електричному ланцюзі. Коротким замиканням називається такий електричний ланцюг, який зрізав шлях до кузова автомобіля («маси») замість того, щоб проходити через споживач.

Однією з причин виникнення короткого замикання є замикання провідника на кузов автомобіля («масу»). Так як і опір мідного дроту, і опір кузова автомобіля («маси») дуже низький, то загальний опір електричного кола також буде низьким. Це призводить до протікання дуже великого струму. Фактична величина струму короткого замикання визначається довжиною та діаметром провідника. Електричний струм внаслідок короткого замикання може становити лише двадцять ампер, а може перевищити кілька сотень ампер. Запобіжник повинен перервати струм короткого замикання, інакше провідне з'єднання може дуже швидко перегрітися.

Більшість електричних обігрівальних пристроїв, включаючи лампи розжарювання та свічки накалювання, дуже низький опір у холодному стані (при температурі, що дорівнює температурі навколишнього середовища). Коли електричний струм протікає через нагрівальний пристрій, його опір значно збільшується.

Наприклад, у такого нагрівального пристрою, як нагрівач фільтра дизельного палива, опір в холодному стані може становити всього 0,3 Ом. Спроба виміряти опір цього нагрівача може показати, що він закорочений, хоча насправді такий низький опір є нормальним для нагрівальних пристроїв при температурі навколишнього середовища.