Плавкие предохранители широко применяют в электротехнических установках для защиты электрооборудования от токов перегрузки и коротких замыканий. Это аппараты однократного действия, требующие замены плавкого элемента после каждого срабатывания. При токах, несущественно превышающих номинальное значение, нагрев вставки имеет установившийся характер, при котором все выделяемое в ней тепло отдается в окружающую среду. При этом, кроме вставки, приблизительно до этой же температуры нагреваются все элементы предохранителя. Температура нагрева при этом такова, что плавкая вставка не расплавляется.

В аварийном режиме при быстром и значительном увеличении тока, проходящего через плавкий элемент, последний плавится, разрывая электрическую цепь.

Плавление вставки и разрыв тока должны произойти за возможно более короткое время и при небольших кратностях аварийного тока относительно номинального значения. Резкое сокращение времени плавления достигается применением специальной формы плавкой вставки либо использованием металлургического эффекта.

Плавкую вставку выполняют в виде пластины с вырезами, уменьшающими площадь ее сечения (рис. 1) на отдельных участках. На этих суженных перешейках выделяется больше тепла, чем на широких частях, из-за повышения сопротивления. В нормальном режиме работы избыточное тепло вследствие теплопроводности материала вставки успевает распространиться к более широким частям и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках нагрев суженных участков идет быстрее и тепло не успевает отводиться к широким участкам. В результате температура перешейков быстро достигает значения температуры плавления, что приводит к разрыву цепи.

Рис. 1. Формы плавких вставок

Быстродействующие плавкие предохранители имеют несколько перешейков, чередующихся с широкими частями, а вставка состоит из нескольких лент фольги, включенных параллельно. При коротких замыканиях нагрев перешейков происходит настолько интенсивно, что практически отводом тепла от них можно пренебречь, и одновременно перегорают все или несколько перешейков.

Рис. 2. Время-токовая характеристика плавкого предохранителя (а) и кривая изменения тока при отключении аварийного тока плавким предохранителем (б)

Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Указанное явление используется в предохранителях на небольшие токи со вставками из ряда параллельных проволок, на которые напаяны небольшие оловянные шарики. При токах перегрузки, когда температура проволок вставки достигает температуры плавления олова, шарик расплавляется и растворяет часть металла, на который он напаян. Вставка перегорает в этом месте, причем температура всей вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена. В нормальном режиме шарик практически не влияет на температуру нагрева вставки. Такой способ применяют при тонких проводниках вставки и малых диаметрах шариков.

При возрастании диаметра вставки влияние металлургического эффекта резко снижается.

Работа предохранителя характеризуется его время-токовой характеристикой и уровнем ограничения тока i_огр.

Время-токовая характеристика (рис. 2, а) показывает, за какое время отключит ток плавкий предохранитель при данной кратности проходящего через него тока по отношению к номинальному значению, т. е. характеризует его быстродействие в определенных условиях. Так, при номинальных значениях тока (I/I_ном = 1) предохранитель не срабатывает, а при больших кратностях тока К/K_ном отключает цепь за малое время t_откл.

Действие плавкого предохранителя поясняется рис. 2, б. Ток в защищаемой цепи ограничивается значительно меньшим значением i_oгр, чем без предохранителя (показано на рисунке штриховой линией).

Отключение аварийного тока плавким предохранителем характеризуется двумя зонами: плавления и гашения дуги. Зона плавления представляет собой отрезок времени от начала нарастания аварийного тока до образования электрической дуги (интервал времени 0 — t_дг). Образование электрической дуги определяет начало ограничения аварийного тока.

По мере горения электрической дуги и увеличения напряжения на ней аварийный ток ограничивается, а затем и снижается до нуля. Время горения дуги зависит от параметров аварийного контура таких, как напряжение, ток, cos α, а также от конструкции предохранителя.

Предохранители выбирают в зависимости от напряжения установки, где они должны эксплуатироваться. Номинальный ток плавкой вставки выбирают по наибольшему току нагрузки с учетом перегрузок, которые допускает предохранитель без плавления.