Автоматические выключатели

Автоматические выключатели

Автоматический выключатель (автомат) — это коммутационный аппарат предназначенный для защиты электрической сети от сверхтоков, т.е. от коротких замыканий и перегрузок.

Определение «коммутационный» означает, что данный аппарат может включать и отключать электрические цепи, другими словами производить их коммутацию.

Автоматические выключатели бывают с электромагнитным расцепителем защищающим электрическую цепь от короткого замыкания и комбинированным расцепителем — когда дополнительно с электромагнитным расцепителем применяется тепловой расцепитель защищающий цепь от перегрузки.

Примечание: В соответствии с требованиями ПУЭ бытовые электросети должны быть защищены как от коротких замыканий, так и от перегрузки, поэтому для защиты домашней электропроводки следует применять автоматы именно с комбинированным расцепителем.

Автоматические выключатели делятся на однополюсные (применяются в однофазных сетях), двухполюсные (применяются в однофазных и двухфазных сетях) и трехполюсные (применяются в трехфазных сетях), так же бывают четырехполюсные автоматические выключатели (могут применяться в трехфазных сетях с системой заземления TN-S).

Устройство и принцип работы автоматического выключателя.

На рисунке ниже представлено устройство автоматического выключателя с комбинированным расцепителем, т.е. имеющий и электромагнитный и тепловой расцепитель.

1,2 — соответственно нижняя и верхняя винтовые клеммы для подключения провода

3 — подвижный контакт; 4 — дугогасительная камера; 5 — гибкий проводник (применяется для соединения подвижных частей автоматического выключателя); 6 — катушка электромагнитного расцепителя; 7 — сердечник электромагнитного расцепителя; 8 — тепловой расцепитель (биметалли́ческая пласти́на); 9 — механизм расцепителя; 10 — рукоятка управления; 11 — фиксатор (для крепления автомата на DIN-рейке).

Синими стрелками на рисунке показано направление протекания тока через автоматический выключатель.

Основными элементами автоматического выключателя являются электромагнитный и тепловой расцепители:

Электромагнитный расцепитель обеспечивает защиту электрической цепи от токов короткого замыкания. Он представляет из себя катушку (6) с находящимся в ее центре сердечником (7) который установлен на специальной пружине, ток в нормальном режиме работы проходя по катушке согласно закону электромагнитной индукции создает электромагнитное поле которое притягивает сердечник внутрь катушки, однако силы этого электромагнитного поля не хватает что бы преодолеть сопротивление пружины на которой установлен сердечник.

При коротком замыкании ток в электрической цепи мгновенно возрастает до величины в несколько раз превышающей номинальный ток автоматического выключателя, этот ток короткого замыкания проходя по катушке электромагнитного расцепителя увеличивает электромагнитное поле воздействующее на сердечник до такой величины, что его силы втягивания хватает на то что бы преодолеть сопротивление пружины, перемещаясь внутрь катушки сердечник размыкает подвижный контакт автоматического выключателя обесточивая цепь:

При коротком замыкании (т.е. при мгновенном возрастании тока в несколько раз) электромагнитный расцепитель отключает электрическую цепь за доли секунды.

Тепловой расцепитель обеспечивает защиту электрической цепи от токов перегрузки. Перегрузка может возникнуть при включении в сеть электрооборудования общей мощностью превышающей допустимую нагрузку данной сети, что в свою очередь может привести к перегреву проводов разрушению изоляции электропроводки и выходу ее из строя.

Тепловой расцепитель представляет из себя биметаллическую пластину (8). Биметаллическая пластина — эта пластина спаянная из двух пластин различных металлов (металл «А» и металл «В» на рисунке ниже) имеющих разный коэффициент расширения при нагреве.

При прохождении по биметаллической пластине тока превышающего номинальный ток автоматического выключателя пластина начинает нагреваться, при этом металл «B» имеет больший коэффициент расширения при нагреве, т.е. при нагреве он расширяется быстрее чем металл «A», что приводит к искривлению биметаллической пластины, искривляясь она воздействует на механизм расцепителя (9), который размыкает подвижный контакт (3).

Время срабатывания теплового расцепителя зависит от величины превышения тока электросети номинального тока автомата, чем больше это превышение тем быстрее сработает расцепитель.

Как правило тепловой расцепитель срабатывает при токах в 1,13-1,45 раз превышающих номинальный ток автоматического выключателя, при этом при токе превышающем номинальный в 1,45 раза тепловой расцепитель отключит автомат через 45мин — 1 час.

Время срабатывания автоматических выключателей определяется по их время-токовым характеристикам (ВТХ)

При любом отключении автоматического выключателя под нагрузкой на подвижном контакте (3) образуется электрическая дуга которая оказывает разрушающее воздействие на сам контакт, причем чем выше отключаемый ток, тем мощнее электрическая дуга и тем большее ее разрушающее возде йствие. Для сведения к минимуму ущерба от электрической дуги в автоматическом выключателе она направляется в дугогасительную камеру (4), которая состоит из отдельных, параллельно установленных пластин, попадая между этих пластин электрическая дуга дробится и затухает.

3. Маркировка и характеристики автоматических выключателей.

ВА47-29 — тип и серия автоматического выключателя

Номинальный ток — максимальный ток электрической сети при котором автоматический выключатель способен длительно работать без аварийного отключения цепи.

Стандартные значения номинальных токов автоматических выключателей: 1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 13; 16; 20; 25; 32; 35; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300, Ампер.

Номинальное напряжение — максимальное напряжение сети на которое рассчитан автоматический выключатель.

ПКС — предельная отключающая способность автоматического выключателя. Данная цифра показывает максимальный ток короткого замыкания который способен отключить данный автоматический выключатель сохранив при этом свою работоспособность.

В нашем случае ПКС указан 4500 А (Ампер), это значит что при токе короткого замыкания (к.з.) меньшем, либо равном 4500 А автоматический выключатель способен разомкнуть электрическую и остаться в исправном состоянии, в случае если ток к.з. превысит данную цифру возникает возможность оплавления подвижных контактов автомата и их привариванию друг к другу.

Характеристика срабатывания — определяет диапазон срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя.

Например в нашем случае представлен автомат с характеристикой «C» его диапазон срабатывания от 5·I_н до 10·I_н включительно. (I_н— номинальный ток автомата), т.е. от 5*32=160А до 10*32+320, это значит что наш автомат обеспечит мгновенное отключение цепи уже при токах 160 — 320 А.

Характеристика срабатывания является одним из параметров время-токовых характеристик автоматических выключателей подробнее о которых читайте в статье: «Время-токовые характеристики (ВТХ) автоматических выключателей»

Примечание:

• Стандартными характеристиками срабатывания (предусмотренными ГОСТ Р 50345-2010) являются характеристики «B», «C» и «D»;
• Область применения указана в таблице согласно установившейся практике, однако она может быть иной в зависимости от индивидуальных параметров конкретных электрических сетей.

4. Выбор автоматического выключателя

Примечание: Полную методику расчета и выбора автоматических выключателей читайте в статье: «Расчет электрической сети и выбор аппаратов защиты»

Выбор автомата осуществляется по следующим критериям:

— По количеству полюсов: одно- и двухполюсные применяются для однофазной сети, трех- и четырехполюсные — в трехфазной сети.

— По номинальному напряжению: Номинальное напряжение автоматического выключателя должно быть больше либо равно номинальному напряжению защищаемой им цепи:

U_{ном. АВ}⩾ U_{ном. сети}

— По номинальному току: Определить необходимый номинальный ток автоматического выключателя можно одним из четырех следующих способов:

1. С помощью нашего калькулятора расчета автомата по мощности.
2. С помощью нашего калькулятора расчета автомата по сечению кабеля.
3. С помощью следующей таблицы:

1. Рассчитать самостоятельно по методике приведенной в статье: «Расчет электрической сети и выбор аппаратов защиты«

— Выбираем характеристику срабатывания: зачастую характеристику срабатывания автоматического выключателя выбирают исходя из назначения защищаемой им сети (согласно таблице характеристик срабатывания выше) однако автомат выбранный таким образом может не обеспечить своевременное отключение цепи при коротком замыкании, характеристику срабатывания необходимо определять по методике приведенной здесь.

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

Характеристики расцепитилей

Электромагнитный расцепитель осуществляет мгновенную защиту от токов короткого замыкания. Он срабатывает при превышении значения номинального тока в несколько раз. Характеристика срабатывания электромагнитных расцепителей зависит от вида нагрузки (оборудования, которое он будет защищать). Различают несколько характеристик отключения выключателей (т.н. «кривые отключения), я остановлюсь на наиболее распространенных:

Характеристика В, расцепитель срабатывает при кратковременном увеличении тока в диапазоне 3-5 значений номинала. Рекомендуется использовать для защиты сетей освещения общего назначения (лампы освещения, ТЭНы). Данная кривая больше распространена в Европейских странах.

Характеристика С, расцепитель срабатывает при кратковременном увеличении тока в 5-10 раз больше номинального. Служит для размыкания осветительных цепей, розеток и установок с умеренными пусковыми токами (электродвигатели кондиционеров, мощных пылесосов и т.д.). Наиболее распространенная у нас кривая.

Характеристика D, расцепитель срабатывает при кратковременном увеличении тока 10-14 номиналов. Применяются в цепях с активно-индуктивной нагрузкой, а также для защиты электродвигателей с большими пусковыми токами (станки, установки с тяжелым пуском, строительное оборудование, прессы и т.д.)

Имеются так же другие кривые типа Z – для защиты полупроводниковых приборов, U- для сетей постоянного тока, но они значительно реже применяются, и на них я останавливаться не буду.

Еще одна характеристика электромагнитного расцепителя – это максимальный ток короткого замыкания, при котором автоматический выключатель может еще сработать, т.е. отключить питание тем самым защитив оборудование. При возникновении тока сверх этого, автомат «залипнет» и будет работать как проводник. Современные автоматические выключатели имеют очень короткое время срабатывания, что позволяет, имея компактные габариты осуществлять защиту от КЗ (до 50кА у модульных аппаратов, и 150кА у аппаратов в литом корпусе).

Автоматические выключатели выбирают по отключающей способности, исходя из мощности трансформатора / подстанции и расстояния от него до искомого выключателя. Чем дальше он находится, тем меньшая требуется отключающая способность. В обычных квартирах и частных домах в основном используются автоматические выключатели на 4,5 и 6кА. На промышленных объектах с собственной высоковольтной подстанцией от 10 до 50кА.

Автоматический выключатель с тепловой защитой срабатывает после нагрева биметаллической пластины. Время срабатывания зависит от величины тока, превышающее номинальное значение. В отличии от электромагнитного расцепителя, тепловой имеет значительную задержку срабатывания и при небольшом превышении тока она может составлять 20-30 минут. Это позволяет кратковременно превышать номинальный ток без срабатывания автомата.

Принцип работы автоматического выключателя

Для того чтобы электрический ток прошёл свободно через выключатель достаточно поднять рычаг управления вверх. В этом случае неподвижный и подвижный контакты соединятся и ток через катушку, биметаллическую пластину и гибкий проводник поступит к потребителям.
При возникновении короткого замыкания в катушке, принцип работы выключателя заключается в том, что мгновенно образуется магнитное поле, которое выталкивает рычаг, который размыкает рабочие контакты. Точно так же срабатывает защита, когда возникает перенапряжение в сети. При повышении напряжения выше номинала, ток в цепи увеличивается, что и приводит к срабатыванию автоматического выключателя.
Совершенно иначе работает биметаллическая пластина, которая включена в цепь выключателя последовательно с катушкой. Ток в сети, на которую не рассчитан выключатель, срабатывает в результате изгибания тонкого биметалла. Такой элемент соединён с рычагом катушки, поэтому при возникновении достаточного усилия, контакты автоматического предохранителя также мгновенно размыкаются. Защита перенапряжения осуществляется в тот момент, когда в электрической сети появилось повышенное напряжение или были включены потребители, суммарная мощность которых превышает разрешённое потребление тока на данном участке. Такой автомат защиты сети срабатывает не сразу, а спустя некоторое время. Диапазон момента включения теплового расширителя довольно велик. В зависимости от нагрузки прибор может отключиться через несколько секунд, но при незначительном превышении тока безостановочная работа электроприборов может продолжаться до 1 часа.

Принцип работы автоматического выключателя видео смотрите ниже:

Общее устройство расцепителя и схема его подключения

Любой расцепитель — это приспособление для отключения защитного аппарата цепи. Используются же расцепители в основе всех автоматических выключателей.

При поступлении импульса на конструкцию автомата рычаг давит на механизм, обеспечивающий выключение автоматического защитного устройства и тем самым прерывает подачу электричества, предохраняя линии от выгорания.

Стандартная схема подключения расцепителя проста — его подсоединяют к вводному автомату, чтобы при возникновении внештатной ситуации имелась возможность моментально обесточить щиток полностью и предохранить питаемые им устройства от выгорания.

Сверхтоковые процессы в цепях

В цепях, где протекает ток, всегда есть риск его резкого увеличения. Это сопровождается определенными процессами:

1. В процессе роста тока и при его значительном увеличении по сравнению к номинальному в токопроводящих цепях возникает нагрев. Перегрев может привести к повреждению изоляции. Для исключения такого нежелательного процесса используются расцепители с высоким быстродействием, временем отключения менее 0,005 с.
2. В результате длительного воздействия тока на контакты происходит их перегрев и деформация, что ведет к дальнейшей негодности всего АВ. Необходимо не только правильно рассчитывать токи срабатывания, но также и правильно располагать элементы, чтобы между ними не возникало электромагнитной связи.
3. Если вблизи от электромагнитного расцепителя находится компьютер или иная техника, то АВ с такой защитой следует закрыть экраном.

Структура условного обозначения ВА04-36-330010-20УХЛ3 63А:

• ВА — выключатель автоматический
• 04 — условное обозначение серии
• 36 — условное обозначение номинального тока
• 33 — условное обозначение числа полюсов и количества расцепителей тока (30 — три полюса без расцепителей, 33 — три полюса с расцепителями в зоне токов короткого замыкания, 34 — три полюса с расцепителями в зоне токов короткого замыкания и перегрузки, 80 — два полюса без максимальных расцепителей, 83 — два полюса с расцепителями в зоне токов короткого замыкания, 84 — два полюса с расцепителями в зоне токов короткого замыкания и перегрузки)
• 00 — условное обозначение дополнительных сборочных единиц (00 — без дополнительных сборочных единиц, 11 — со свободными контактами, 12 — с независимым расцепителем, 18 — со свободными контактами и независимым расцепителем)
• 1 — вид исполнения и тип привод (1 — стационарный с ручным приводом, 2 — врубной с ручным приводом, 3 — стационарный с электромагнитным приводом, 5 — выдвижной с ручным дистанционным приводом, 7 — выдвижной с электромагнитным приводом, 9 — врубной с электромагнитным приводом)
• 0 — наличие дополнительных механизмов (0 — отсутствуют, 5 — ручной дистанционный привод, 6 — устройство запирания)
• 20 — степень защиты IP20
• УХЛ3 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150 и ГОСТ 15543.1
• 63А — номинальный ток, А

Выключатели с выдержкой времени

Автоматические выключатели, оснащённые механизмом установки времени срабатывания вне зависимости от значения тока, называются селективными. Соответственно аппараты, не обладающие этим качеством относятся к неселективным. Рассмотрим, что такое селективность и зачем она нужна.

Селективность — это одно из основных качеств, которым должна обладать защита. Селективность заключается в необходимом и достаточном объёме защитных отключений повреждённого участка сети. Это означает, что в случае повреждения оборудования (например, короткого замыкания), защита должна отработать так, чтобы отключенным оказался только повреждённый сегмент схемы. Всё остальное оборудование должно при этом по возможности оставаться в работе. Какое отношение к этому имеет выдержка времени выключателя, покажем на примере.

Предположим, на вводе питания секции 0,4 кВ установлен выключатель «1». От этой секции питаются несколько отходящих линий через линейные выключатели. Пусть на одной из отходящих линий установлен выключатель «2».

Теперь предположим, что в самом начале этой линии произошло короткое замыкание. Какой выключатель должен быть отключен защитами, чтобы выделить только повреждённый участок? Конечно же, «2». Но ведь ток короткого замыкания в этой ситуации протекает через два выключателя – «1» и «2» (короткое замыкание подпитывается от источника через выключатель ввода «1»). Каким же образом обеспечить отключение только выключателя «2», ведь значение тока, протекающего через эти выключатели практически одинаково. Вот здесь и приходит на помощь возможность установления искусственной задержки времени отключения на автомате ввода «1». При этом защита просто не успевает сработать, так как линейный выключатель «2» отключит ток короткого замыкания без выдержки времени.