От плавких предохранителей к автоматическим выключателям
Защита электросетей – задача непростая и многогранная. С самого начала эпохи электричества инженеры искали способы обезопасить человека и проводку от аварийных явлений, понемногу совершенствуя технологии и методы управления. К самым первым серийным устройствам защиты относят плавкие предохранители, а одними из наиболее современных являются автоматические выключатели. Сегодня мы совершим небольшой экскурс в историю развития тех и других, а также проведём сравнение их характеристик.
Риск получить электротравму или повредить какое-либо оборудование стал очевиден, как только люди начали использовать электричество в промышленности. Разумеется, первостепенной задачей следует считать именно упреждение нештатных ситуаций, а не борьбу с последствиями, однако это не всегда возможно. Вместе с тем, минимизация ущерба для электрофурнитуры, проводки, станков, сети в целом и, конечно, человека – цель более тривиальная и достижимая. Потому работы по изобретению средств защиты всегда велись достаточно интенсивно.
Общее назначение, разный конструктив
Как известно, первыми были именно плавкие предохранители. Даже само их изобретение нельзя назвать сугубо проектной работой – по своей сути и принципу действия они просто снижали пагубные последствия возникновения теплового поля в проводнике с током. Как известно, Джеймс Джоуль и Эмиль Ленц примерно в одно время и полностью независимо друг от друга смогли установить связь между силой тока, проходящей через проводник, и выделением из него теплоты. В школьной формуле Джоуля-Ленца помимо упомянутых выше величин также принимают участие сопротивление цепи и длительность прохождения тока.
Вредный эффект быстро сумели превратить в полезный, создав весьма примитивные изделия на основе тонких металлических вставок, через которые должен был проходить ток электрического контура. Подобное «балансирование на грани» делало систему автономной и самоуправляющейся: до тех пор, пока по проводам тёк ток с нормальными параметрами, нагрев пластинки оставался незначительным и цепь сохраняла работоспособность, однако, как только наступал аварийный режим, питание отключалось. Весь секрет сводился к тому, что самое узкое место системы было не просто известно инженерам, а даже спроектировано ими – речь идёт как раз о той самой пластинке. Единственным недостатком как тогда, так и сейчас, являлась невозможность быстрого восстановления работоспособности сети, поскольку перегоревший узел необходимо было менять – починке он не подлежал, а к повторному включению был непригоден. На тот период первые предохранители считались просто расходными материалами, и их постоянная замена была нормой.
Непосредственными потомками первых плавких вставок можно считать и современные предохранители для радиоаппаратуры. Они выглядят как небольшие стеклянные колбочки с нитью внутри, запаянные с двух сторон металлическими колпачками. Принцип действия сохранён полностью и не усложнён ни на йоту: металлические торцы позволяют обеспечить электрический контакт с держателем предохранителя, последовательно включённым в цепь питания. Номинал таких изделий может лежать в диапазоне от 0,3 А до 40 А, в зависимости от размеров и назначения.
Плавкие предохранители «пробки» советского образца также повторяют тот же принцип, только здесь была доработана конструкция корпуса. Первые модели такого рода вообще сейчас можно было бы назвать адаптерами изделий колбочного типа: внутри керамической основы с металлической резьбой имелось отверстие для размещения небольших стеклянных вставок-предохранителей. По мере того, как последние выходили из строя, они заменялись новыми и керамический «адаптер» продолжал свою работу. Ввиду того, что защита электросетей и бытовой техники на тот период ещё не была одним из приоритетов населения, стремительного развития данная сфера не имела.
Отдельно следует сказать об уровне достигаемой безопасности. Пробки с заменяемыми вставками сами по себе были достаточно эффективными для своего времени средствами борьбы с повреждением имущества от токов КЗ, но это не означает, что задуманный производителем уровень достигался. К примеру, в Советском союзе было непросто доставать даже стеклянные колбочки-вставки с той же скоростью, с которой они горели. Это толкнуло людей к созданию тех самых печально известных «жучков». В сущности, это были небольшие отрезки медной проволоки, которые зажимались между контактными площадками предохранителя и гнезда. Расчёт был на то, что при перегрузке из строя выйдет именно эта проволока, а не что-либо ещё. Тем не менее, случаев, когда от такой самодельной «защиты» начинались пожары – тысячи. Конечно же, ошибка была в том, что использованная проволока, сколько бы ни пытались подобрать её диаметр домашние умельцы, не обладала теми же характеристиками, что и фабричная. В худшем случае она вообще не оплавлялась и перегорала, а в лучшем – существенно запаздывала, угрожая имуществу тем, что токи в сети к тому времени достигали чрезвычайно опасных величин.
Тем не менее, появление в домах людей холодильников и телевизоров ознаменовало начало волны повышенного спроса на предохранители. Учитывая цены на первые модели домашней техники такого класса, мало кто хотел, чтобы она вдруг внезапно вышла из строя из-за неполадок в сети. Так возникло сразу две разновидности защитных устройств. Первая из них – немного доработанные цельные керамические модели. В сущности, они представляли собой всё то же самое, только капсулу с пластинкой из них было извлечь нельзя. При выходе из строя такие предохранители просто выбрасывали, а на их место устанавливали новые. При кажущемся удорожании, на самом деле одноразовые модели были дешевле, поскольку процесс их производства был заметно проще, в то время, как себестоимость технической керамики можно вообще считать копеечной.
Вторая разновидность – это хорошо знакомые всем нам автоматические предохранители. Считается, что самое первое изделие такого рода изобрёл ещё в 1836-том году американец Чарльз Графтон Пэйдж, предполагая использовать его с постоянным током. Однако официально запатентована конструкция, более-менее похожая на известную нам, была только спустя 88 лет – в 1924-том году. Сложно точно сказать, когда именно они появились в широком доступе, в том числе, и в странах Запада, однако на украинских просторах пик таких моделей пришёлся на начало-середину девяностых. Они представляли собой небольшое цилиндрическое устройство с двумя кнопками на лицевой панели и резьбой на противоположном торце. Благодаря последнему факту, они были полностью совместимы с патронами под плавкие предохранители и не требовали никакой модернизации распределительного щитка или счётчика при установке. Но главным преимуществом изделий нового поколения была не концептуально новая конструкция, а долгожданная возможность многоразового использования. Если автоматика срабатывала, её можно было просто перезарядить и продолжать эксплуатацию приборов в сети. Автоматические предохранители не нуждались в замене каких-либо частей, а для повторного включения их даже не требовалось выкручивать из гнезда. Для включения было достаточно нажать большую белую кнопку до щелчка, а для отключения – слегка надавить на маленькую красную. Кроме того, время их срабатывания было гораздо меньше, чем у керамических моделей, а потому возросла и безопасность.
Если «пробки» старого образца могли запаздывать, долго дымиться, но не отключать электричество при значительном превышении проходящего тока, то автоматические модели отключались почти мгновенно. Кроме того, они не давали ни дыма, ни неприятного запаха, а о своём срабатывании сообщали громким щелчком. До сих пор именно этот этап многие пользователи считают революцией в сфере защиты проводки и домашней техники, в то время, как переход к самым популярным сегодня автоматическим выключателям воспринимается как естественный и само собой разумеющийся.
В сущности, все рассмотренные выше типы, да и наиболее современные тоже, предлагают одинаковый механизм срабатывания. Под воздействием тока происходит нагревание чувствительного элемента – будь то нить, пластинка, проволока или биметаллический лепесток – который тут же провоцирует непосредственный разрыв цепи или размыкание контактов, постоянное или временное. Таким образом, можно сказать, что почти весь путь развития средств защиты техники, человека, проводов и кабелей был направлен на увеличение чувствительности и скорости отклика на аварийный раздражитель, а также на то, чтобы сделать данный узел удобным в использовании – без постоянных замен, неприятных запахов и необходимости покупать расходные элементы.
Нетрудно заметить, что концепция автоматического выключателя современного типа целиком и полностью подпадает под указанные выше требования. Однако справедливо будет сказать, что к нынешнему виду инженеры пришли не сразу. К примеру, при Союзе уже существовали полные аналоги автоматов, однако сферой их применения оставалась промышленность. Такие изделия и сегодня ещё можно увидеть в различных лабораториях, мастерских и гаражах. Они представляют собой боксы с габаритами около 15х10х10 см, оснащённые двумя кнопками «Пуск» и «Выкл.», белого/зелёного и красного цветов, соответственно. В дома простых жителей такие устройства не попали, поскольку были довольно дорогими, не считались целесообразными для применения в быту и уж точно не могли похвастаться требуемой в данном контексте компактностью.
Автоматические выключатели последних лет сумели вобрать в себя все позитивные аспекты предшественников. Немногие задумываются об этом, но даже сама идея создать кожух из пластика ещё 50 лет назад была навеяна тем, что в плавких предохранителях в качестве контейнера использовалась керамика. Сегодня корпуса автоматов изготавливаются из специальных видов композитных полимеров, обладающих не только диэлектрическими свойствами, повышенной механической прочностью и лёгкостью, но и малой горючестью. Одновременно с конструктивными дополнениями вырос и функционал устройств. Сегодня к уже известному расцеплению питающего контура из-за теплового эффекта даже при незначительном превышении нормативов добавлена отсечка при резких скачках тока под нагрузкой. Кроме того, изделия спроектированы таким образом, чтобы в цепи не могла возникнуть электрическая дуга, а клеммная система оснащена зажимами, гарантирующими как отличный электрический контакт, так и надёжное механическое соединение.
Безусловно, непосредственно сравнивать между собой автоматы и плавкие предохранители не совсем корректно – это изделия разных поколений, довольно эффективные для своего времени. Вместе с тем, нельзя не отметить, насколько значительный скачок совершила инженерная мысль за прошедшее столетие. Ко всем уже упомянутым ранее факторам можно добавить, что предохранители с плавкими вставками подходят только для защиты одной фазы, и не могут быть никоим образом использованы для защиты нескольких. Если где-либо будет установлен трёхфазный ввод, там придётся применять только три отдельных предохранителя. Зато в случае с автоматом потребители вполне могут купить трёхполюсной автомат и установить его в щиток одним модулем. Кроме того, что такое решение проще и компактнее, оно ещё гораздо удобнее и безопаснее. К примеру, если что-либо случится с одной из трёх фаз при защите контуров «пробками», остальные две останутся работать как ни в чём не бывало. Если всё то же самое произойдёт при наличии трёхполюсного автомата, будут обесточены сразу три фазы, поскольку они соединены рычажной перемычкой.
В условиях реальной эксплуатации сегодняшние модели безоговорочно выигрывают, и это совершенно понятно. Вместе с тем, изделия с плавкими вставками всё ещё активно используются в промышленности и радиотехнике, а также для узких, специфических задач. Рядовому потребителю для применения в быту подойдёт любой современный автоматический выключатель – главное, чтобы его номинал соответствовал параметрам сети и нагрузке в ней.
