Гашение электрической дуги в масле или в вакууме применяется в основном в высоковольтных выключателях. Гашение дуги в воздухе может применяться как низковольтных, так и в высоковольтных выключателях.
Автоматические выключатели могут включаться вручную, с помощью встроенного электродвигателя или электромагнитного привода. Электрические приводы в основном применяют для дистанционного управления автоматами. Большинство низковольтных выключателей, рассчитанных на относительно небольшие токи, обычно снабжаются ручным приводом.
Нужно заметить, что автоматические выключатели хоть и являются коммутационными аппаратами, однако, их ресурс включения-отключения значительно ниже, чем у магнитных пускателей или контакторов.
В этом материале мы будем рассматривать широко распространенные автоматы, предназначенные для установки на DIN-рейку.
Как уже отмечалось выше, автоматические выключатели оснащаются двумя видами токовых защит, защитой от токов короткого замыкания и тепловой защитой.
В модульных автоматических выключателях защита от токов короткого замыкания осуществляется с помощью электромагнитных расцепителей устанавливаемых на каждую фазу. Электромагнитный расцепитель представляет собой катушку из нескольких витков толстого провода, по которой течет ток. Внутри катушки размещается сердечник из ферромагнитного материала. При достижении током порогового значения, сердечник втягивается внутрь катушки и электромагнитный расцепитель срабатывает. Ток, при котором срабатывает электромагнитный расцепитель, называется уставкой отсечки. Следует заметить, что срабатывание отсечки происходит очень быстро. Поэтому отсечка является токовой защитой без выдержки времени. Порог срабатывания токовой отсечки обычно выбирают больше 4. Кратность тока срабатывания расцепителей указывается на корпусе автомата.
Защита от токов перегрузки в автоматических выключателях реализуется с помощью тепловых реле устанавливаемых на каждой фазе. Тепловое реле представляет собой биметаллическую пластину, на которую навит провод, по которому течет ток. При протекании тока превышающего номинальный ток выключателя, биметалл нагревается и деформируется. Деформирующаяся пластина воздействует на расцепитель автомата и, он отключается. Уставка тепловых расцепителей автоматических выключателей обычно составляет 1.2I ном. Время срабатывания защиты зависит от величины тока. Чем больше ток, тем быстрее срабатывает защита. Таким образом, с помощью теплового реле не только контролируется величина тока, но и осуществляется выдержка времени. Следует заметить, что работа тепловой защиты напрямую зависит от температуры окружающего воздуха. Поэтому защита от перегрузки автоматических выключателей может гарантировано сохранять свои характеристики только в диапазоне температур указанных производителем.
Зависимость времени срабатывания защит автомата от тока называется время-токовой характеристикой. Типичный график время-токовой характеристики автомата приведен на рисунке.
На графике видно, что время срабатывания тепловой защиты, в зависимости от тока, может составлять от одного часа до одной секунды. Скорость срабатывания отсечки от величины тока зависит в гораздо меньшей степени.
Основные детали модульного автоматического выключателя показаны на рисунке.
Модульные автоматические выключатели предназначены для установки на DIN-рейку. Для этой цели на задней стороне автоматов имеется специальный паз и замок надежно фиксирующий выключатель на рейке. Автоматические выключатели могут иметь от одного до четырех полюсов. В однофазной сети чаще всего используются однополюсные автоматы, а в трехфазной – трехполюсные.
Основными узлами автоматов являются:
Контактная система состоит из подвижного и неподвижного контактов. Для обеспечения низкого переходного сопротивления, контактирующие поверхности покрываются металлокерамикой на основе серебра. Подвижный контакт соединяется с электромагнитным расцепителем посредством гибкой металлической связи.
Гашение дуги в автоматических выключателях осуществляется в дугогасительных камерах. Для гашения дуги в камере устанавливается ряд металлических пластин, которые дробят и охлаждают дугу. Камера изготавливается из фибры, которая при нагреве выделяет газы способствующие гашению дуги. Избыточное давление газов отводится из корпуса автомата через специальный канал.
Механизм включения и отключения автоматического выключателя устроен таким образом, что включение и отключение выключателя происходит быстро, независимо от скорости движения рычага управления.
Номинальный ток автоматического выключателя должен соответствовать максимально допустимому току защищаемой линии. Обычно максимальный ток определяется сечением и материалом проводов или кабелей.
Кратность тока электромагнитного расцепителя автомата выбирают исходя из пусковых токов электродвигателей, защищаемых выключателем. Это связано с тем, что пусковые токи двигателей могут превышать номинальные токи в четыре и более раз.
Предохранитель – это электрический прибор, обеспечивающий защиту электросети от аварийных ситуаций, связанных с выходом текущих параметров (тока, напряжения) за заданные рамки. Простейший предохранитель – плавкая вставка.
Это прибор, включенный в защищаемую цепь последовательно. Как только ток в цепи превышает заданный, проволочка плавится, контакт размыкается, и защищаемый участок цепи таким образом остается неповреждённым. Недостаток такого способа защиты – одноразовость защитного прибора. Сгорел – надо менять.
Аналогичная задача решается при помощи так называемых автоматических выключателей (АВ). В отличие от плавких одноразовых предохранителей, автоматы – достаточно сложные приборы, при выборе их следует учитывать имеет несколько параметров.
Они также последовательно включаются в цепь. При повышении тока автоматический выключатель цепь разрывает. Автоматические выключатели выпускаются самого разного конструктивного исполнения и с различными параметрами. Наиболее распространены сегодня автоматы для крепления на ДИН-рейку (рис. 1).
Широко известны ещё советских времен автоматы АП-50 (рис. 3-5) и многие другие. Автоматы выпускаются с количеством полюсов (линий для подключения) от одного до четырёх. При этом двух- и четырёхполюсные автоматы могут иметь в своем составе не только защищенные, но и не защищённые контактные группы, которые обычно используются для разрыва нейтрали.
В состав большинства автоматических выключателей входят:
Дугогасительные устройства обеспечивают гашение и выдувание дуги, которая образуется при размыкании контактов, через которые проходит сверхток(рис.2)
Расцепитель – устройство (часть автомата или дополнительное устройство), механически связанное с механизмом АВ и обеспечивающее размыкание его контактов.
В составе автоматического выключателя имеются обычно два расцепителя.
Первый расцепитель – реагирует на долговременную, но небольшую перегрузку сети (тепловой расцепитель). Обычно это устройство на основе биметаллической пластины, которая под действием проходящего через неё тока постепенно нагревается, изменяет конфигурацию. В конце концов она нажимает на удерживающий механизм, который освобождает и размыкает подпружиненный контакт.
Второй расцепитель – так называемый, «электромагнитный». Он обеспечивает быструю реакцию АВ на короткое замыкание. Конструктивно этот расцепитель представляет из себя соленоид, внутри катушки которого находится подпружиненный сердечник со штырьком, упирающимся в подвижный силовой контакт.
Обмотка включена в цепь последовательно. При коротком замыкании ток в ней резко возрастает, за счет чего увеличивается магнитный поток. При этом преодолевается сопротивление пружины, и сердечник размыкает контакт.
Первый параметр – номинальное напряжение. Выпускаются автоматы для только постоянного тока и для переменного и постоянного. Автоматы для постоянного тока для общего использования достаточно редки. В бытовых и промышленных сетях используются в основном АВ для переменного и постоянного тока. Чаще всего используются АВ с номинальным напряжением 400В, 50Гц.
Второй параметр – номинальный ток (Iн). Это тот рабочий ток, который автомат пропускает через себя в длительном режиме. Обычный ряд номиналов (в амперах) – 6-10-16-20-25-32-40-50-63.
Третий параметр – отключающая способность, предельная коммутирующая способность (ПКС). Это максимальная сила тока короткого замыкания, при которой автомат сможет разомкнуть цепь, не разрушившись. Обычный ряд паспортных значений ПКС (в килоамперах) – 4,5-6-10. При напряжении 220 В, это соответствуют сопротивлению сети (R=U/I) 0.049 Ом, 0,037 Ом, 0,022 Ом.
Как правило, сопротивление проводов бытовой электросети может достигать 0,5 Ом, ток короткого замыкания на уровне 10 кА возможен только в непосредственной близости от электроподстанции. Поэтому самые распространённые ПКС – 4,5 или 6 кА. Автоматы с ПКС 10 кА применяются в основном в промышленных сетях.
Четвертый параметр, характеризующий АВ, — это ток уставки (уставка) теплового расцепителя. Этот параметр для различных автоматов составляет от 1,13 до 1,45 от номинального тока. Мы отмечали, что при прохождении номинального тока гарантируется длительная работа цепи с АВ.
Уставка теплового расцепителя больше номинала, именно достижение реальным током величины уставки вызовет отключение автомата. Следует отметить, что в автоматах советского периода предусмотрена ручная регулировка уставки тепловой защиты (рис. 5). Доступ к регулировочному винту в автоматах, устанавливаемых на ДИН-рейку невозможен.
Пятый параметр автоматического выключателя – ток уставки электромагнитного расцепителя. Этот параметр определяет кратность превышения номинального тока, при которой АВ сработает практически мгновенно, среагировав на короткое замыкание.
Важная характеристика автомата – это зависимость времени срабатывания от тока (рис. 6). Эта зависимость состоит из двух зон. Первая – зона ответственности тепловой защиты. Особенность её – постепенное уменьшение времени прохождения тока до расцепления. Это понятно – чем больше ток, тем быстрее нагревается биметаллическая пластина и размыкается контакт.
При очень большом токе (коротком замыкании) практически мгновенно (за 5 – 20 мс) срабатывает электромагнитный расцепитель. Эта вторая зона на нашем графике.
По уставке электромагнитного расцепителя все автоматы подразделяются на несколько типов:
Наиболее распространены – B, C и D.
Характеристика В – используется для сетей общего назначения, особенно там, где необходимо обеспечить селективность защиты. Электромагнитный расцепитель настроен на срабатывание при кратности тока по отношению к номиналу от 3 до 5.
При подключении чисто активных нагрузок (лампочек накаливания, обогревателей…) пусковые токи практически равны рабочим. Однако при подключении электродвигателей (даже холодильников и пылесосов) пусковые токи могут быть значительными и вызвать ложное срабатывание автомата с рассматриваемой характеристикой.
Наиболее распространены автоматы с характеристикой С. Они достаточно чувствительны, и в то же время не дают ложных срабатываний при пуске двигателей бытовой техники. Такой выключатель срабатывает при 5-10 кратном превышении номинального значения. Такие автоматы считаются универсальными и применяются всюду, включая промышленные объекты.
Характеристика D – это уставка электромагнитного расцепителя на 10 – 14 номиналов по току. Обычно такие значения нужны при использовании асинхронных двигателей. Как правило автоматы с характеристикой D используются в трёх- или четырёхполюсном исполнении для защиты промышленных сетей.
При совместном использовании автоматических выключателей нужно иметь представление о таком понятии, как селективная защита. Построение селективной защиты обеспечивает срабатывание автоматов, находящихся ближе к месту аварии, при этом более мощные автоматы, расположенные ближе к источнику напряжения, срабатывать не должны. Для этого более чувствительные и быстродействующие автоматы устанавливаются ближе к потребителям.
АВ – это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для проведения тока цепи в нормальных режимах и для автоматического отключения электроустановок при перегрузках и токах КЗ, чрезмерных понижениях напряжения и других аварийных режимах. Возможно использование аппаратов для нечастых (6-30 раз в сутки) оперативных включений и отключений цепей. Применение их возможно в сетях до 1 кВ.
АВ изготовляют одно-, двух-, трех- и четырехполюсными. Для выполнения защитных функций АВ снабжаются либо тепловыми (защита от токов перегрузки), либо электромагнитными (защита от токов КЗ), либо комбинированными (тепловыми и электромагнитными) расцепителями. Действие тепловых расцепителей автоматов основано на использовании нагрева биметаллической пластины, изготовленной из спая двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения. В расцепителе при токе, превышающем расчетный, на который он выбран, одна из пластин при нагреве удлиняется больше и вследствие большего ее удлинения воздействует на отключающий пружинный механизм. В результате чего коммутирующее устройство автомата размыкается. Данный расцепитель обладает большой тепловой инерцией, из-за чего не может защищать питающую линию или асинхронный двигатель от токов КЗ. Т.е. продолжительность токов КЗ значительно меньше времени срабатывания теплового расцепителя.
Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит, который воздействует на отключающий пружинный механизм. Если ток в катушке превышает определенное, заранее установленное значение (ток срабатывания), то электромагнитный расцепитель отключает линию мгновенно. Настройку расцепителя на заданный ток срабатывания называют уставкой тока. Уставку тока электромагнитного расцепителя на мгновенное срабатывание называют отсечкой. В зависимости от наличия механизмов, регулирующих время срабатывания расцепителей, АВ разделяются на неселективные с временем срабатывания 0,02...0,1 с, селективные с регулируемой выдержкой времени и токоограничивающие с временем срабатывания не более 0,005 с.
АВ изготавливают с ручным, электромагнитным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.
Контактная система АВ на большие токи – двухступенчатая, состоит из главных и дугогасительных контактов. Главные контакты должны иметь малое переходное сопротивление, т.к. по ним проходит основной ток.
Общее устройство АВ:
1 – пластмассовый корпус с крышкой или без; 2 – главные контакты (подвижные и неподвижные); 3 – дугогасительные камеры (2 фибровых щеки и ряд медных пластин); 4 – механизм свободного расцепления; 5 – расцепители; 6 – привод; 7 – отключающая пружина; 8 – вспомогательные контакты.
Предохранитель - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.
В большинстве предохранителей отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекающим через нее током защищаемой цепи. Чем больше протекаемый ток, тем меньше время расплавления плавкой вставки. Эта зависимость называется защитной характеристикой предохранителя. Для уменьшения времени срабатывания предохранителя, применяются плавкие вставки из различного материала (цинк, медь, алюминий, свинец и серебро), специальной формы, а также используется металлургический эффект.
При токах КЗ узкие участки плавления вследствие слабого отвода от них теплоты по сравнению с временем нагревания, перегорают прежде, чем ток КЗ достигнет своего установившегося (в цепях постоянного тока) или ударного (в цепях переменного тока) значения. Т.е. предохранители обладают токоограничивающим действием, при котором ток КЗ ограничивается до значения i ОГР (в 2-5 раз).
Основные элементы предохранителя: корпус, плавка вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.
Предохранители изготовляют на напряжение 36, 220, 380, 660 В переменного тока, и 24, 110, 220, 440 В постоянного. В один и тот же корпус предохранителя могут быть вставлены плавкие элементы на различные номинальные токи.
Плавкие вставки предохранителей выдерживают токи, превышающие на 30-50% их номинальные токи в течение одного часта и более. При превышении в 60-100%, они плавятся за время менее одного часа.
Типы предохранителей:
Насыпные типа ПН-2. Служат для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В постоянного тока. Выполняются на номинальные токи 100-600 А. Представляет из себя прямоугольную фарфоровую трубку, внутри засыпанную сухим кварцевым песком. Плавкая вставка приварена к шайбам врубных контактных ножей. Крышки с асбестовыми прокладками герметически закрывают трубку. Плавкая вставка – медные ленточки с вырезами и капельками олова посередине.
Предохранители НПН подобны ПН, но имеют неразборный стеклянный патрон без контактных ножей и рассчитываются на токи до 63 А. Плавкой вставкой служит медная проволока с каплей олова.
Предохранители типа ПР-2, которые изготовляют до 1000 А и являются разборными. В составе имеется фибровый патрон, а температурное воздействие на него вызывает интенсивное гашение дуги газовыми выделениями материала патрона. Плавкая вставка – цинковая пластина с сужениями.
Предохранители серии ПП-31 с алюминиевыми вставками на номинальные токи 63-1000 А разработаны взамен предохранителей серии ПН-2.
При обеспечении защиты электросети от всевозможных сбоев используются различные приспособления и механизмы. В их числе - автоматизированные выключатели, которые предотвращают серьезные сбои в электрической цепи и сохраняют бытовые приборы от выхода из строя. Чтобы понять принцип действия автоматического выключателя, необходимо разобраться с его устройством и техническими характеристиками.
Внешне элемент представляет собой небольшую конструкцию из термостойкой пластмассы, на лицевой части которой находится специальный переключатель, а в задней - фиксатор-защелка. Сверху и снизу расположены винтовые клеммы. В зависимости от конструктивных особенностей и устройства, автоматические выключатели могут разделяться на следующие типы:
Что касается скорости отключения, то она определяется принципом работы автомата, а также соответствующими условиями для обесточивания конкретного участка. Они создаются электрооборудованием и токоограничивающими элементами.
Принцип действия, конструкция и другие особенности автоматического выключателя определяются сферой эксплуатации и задачами, для которых он предназначается. Включение и выключение оборудования осуществляется как ручным образом, так и с помощью специального привода.
Первый вариант запуска имеется в защитных моделях, которые работают с силой тока до 1 тыс. ампер. Их характеризует высокая коммутационная способность, которая никак не зависит от интенсивности движения рукояти. При возникновении аварийной ситуации выключатель самостоятельно отсоединяет цепь, к чему приводит запуск механизма свободного расцепления.
Незаменимым элементом узла является расцепитель. Его задача заключается в контролировании рабочих свойств определенного участка цепи и воздействии при непредвиденных обстоятельствах на выключатель. Кроме этого, расцепитель способен удаленно отключать автомат, что немаловажно при обслуживании сложных и мощных цепей. Существуют такие виды подобных элементов:
Также в продаже имеются полупроводниковые выключатели, которые характеризуются простотой регулировки и стабильными настройками. Их используют в электрических цепях многоквартирных домов и коттеджей.
Если возникает необходимость выполнить соединение цепи при отсутствии подключения к сети, можно обойтись защитными выключателями без расцепителей. На сегодняшний день в продаже доступны сотни моделей и типов выключателей, которые подходят для различной среды эксплуатации и не боятся сверхинтенсивного использования. Отдельные серии выдерживают максимальные нагрузки и не боятся окружающих воздействий.
Выбирая подходящий выключатель автомат, нужно предварительно ознакомиться с документацией, которая поставляется вместе с ним. Это позволит подобрать оптимальный вариант для домашней сети.
Разбираясь с принципом работы «автомата», важно знать об основных компонентах, из которых он состоит. Большинство моделей работает на основе таких узлов:
Контактная система представляет собой соединение статичных и динамичных контактов, которые закрыты в специальном кожуге. Динамичные контакты удерживаются шарнирами на полуоси рукояти. Их задача заключается в осуществлении одинарного отключения участка цепи.
Устройство для погашения дуги располагается в двух полюсах и предназначается для захвата дуги и ее охлаждения. По своей конструкции механизм представляет собой камеру гашения дуги с деионной решеткой из пластинок. Что касается системы расцепления, то это шарнирный компонент на три или четыре звена. С ее помощью осуществляется мгновенное расцепление и выключение контактной системы. Сферы применения затрагивают и ручные устройства, и автоматические.
Задача электромагнитного расцепителя заключается в выключении всей системы при коротком замыкании. По конструкции он представляет собой обычный электромагнит со специальным крюком. У отдельных моделей может присутствовать система гидравлического замедления. Существует еще один тип расцепителей - тепловой. Элемент является небольшой металлической пластинкой, которая деформируется под воздействием повышенного уровня напряжения и запускает процесс отключения.
Полупроводниковые элементы - это измерительный датчик, магнит и блок реле. Магнит воздействует на всю систему, а измерительный датчик состоит из трансформатора для переменного тока или усилителя для постоянного тока.
Большинство моделей защитных приборов оснащены совмещенными расцепителями, которые работают на основе термоэлементов для защиты от повышения силы тока, а также магнитных катушек для предотвращения коротких замыканий.
Защитные конструкции обладают несколькими компонентами, размещенными внутри или снаружи автомата. В их числе всевозможные расцепители и контакты, приводы для удаленного контроля, сигнализационное оборудование и датчики автоматического отключения.
Находясь в обычном режиме работы, выключатель пропускает ток с той силой, которая соответствует нормальному уровню. Электроэнергия, используемая для функционирования устройства, поступает на верхнюю клемму. В свою очередь, эта клемма взаимодействует со статичным контактом, который передает ток на динамичный контакт, металлический проводник и непосредственно на катушку соленоида.
Оказываясь в этой катушке, электричество начинает проходить по термическому расцепителю, а затем проникать на клемму в нижней части защитного оборудования. При существенном скачке напряжения или повышении риска замыкания выключатель автоматически останавливает работу сети.
Если появляется перегруз цепи, элемент работает по другому принципу. Такое явление замечается при сильном повышении силы тока в конкретном участке, которая превышает допустимое значение в несколько раз. При контакте с тепловым расцепителем этот ток начинает деформировать его, что становится сигналом для отключения автомата.
Такой тип защиты не способен срабатывать моментально, так как процесс деформации пластинки занимает какое-то время и требует достаточного прогревания. Скорость отключения определяется избыточной силой тока в защищаемой зоне и занимает временной промежуток от нескольких секунд до часа. За счет такой задержки лишние отключения автомата из-за минимальных и непродолжительных скачков практически исключаются. В большинстве случаев эти скачки происходят при запуске электроприборов с высоким пусковым током.
Что касается показателей, при которых термический элемент начинает работать, то они регулируются специальной деталью и настраиваются еще во время производства элемента. Оптимальным вариантом является значение, превышающее нормальное число в 1,1−1,5 раза.
Также нужно учитывать тот факт, что в зданиях с повышенной температурой автомат защиты сети может функционировать со сбоями, так как в подобных условиях металлическая пластина поддается деформации гораздо быстрее. В холодной среде все происходит в обратном порядке - выключатель слишком долго не реагирует на скачки напряжения электрического тока.
Современные выключатели способны обезопасить сеть не только от скачков напряжения и перегруза, но и от частых замыканий. Как известно, подобные происшествия повышают интенсивность тока до той температуры, при которой начинается процесс расплавления изоляции проводки. А ведь подобное происшествие влечет за собой опасные последствия и может привести к пожарной ситуации. Чтобы избежать образования коротких замыканий, нужно вовремя выключить электричество. Именно для этих целей и используется выключатель.
Устройство состоит из катушки соленоида и сердечника, который фиксируется посредством небольшой пружины. При возникновении непредвиденного скачка напряжения начинает расти магнитная индукция. В связи с этим происходит моментальное размыкание контактов, а подача электротока в защищаемый участок приостанавливается. Электромагнитная деталь включается за несколько миллисекунд и препятствует воспламенению изоляции.
При отключении контактов между ними образуется дуга с температурой до 3 тыс. градусов. Естественно, бытовые приборы не способны перенести воздействие такого температурного режима, поэтому защитные автоматы дополнительно оснащают элементом гашения дуги, которые напоминают собой коробку из металлических пластинок.
Если запуск электрооборудования был вызван коротким замыканием, то без устранения причины поломки восстановить электричество не получится. Зачастую проблема случается при повреждении какого-нибудь бытового прибора, поэтому, чтобы вернуть все на свои места, достаточно отсоединить вышедшее из строя устройство от сети, а затем повторно запустить выключатель. При успешном выполнении такой задачи система должна снова заработать. А если этого не произошло, значит, придется обратиться за помощью к специалистам и определить первоначальный источник поломки.
Столкнувшись с проблемой частых отключений защитных элементов, не нужно спешить покупать новый прибор с более высокими показателями силы тока - проблема от этого не исчезнет. Ведь на этапе монтажа выключателей учитывается площадь поперечного сечения провода, поэтому чрезмерно высокий ток не появится в проводке.
Для определения причины поломки и дальнейших действий следует вызвать специалиста, но не пытаться сделать все своими руками. В большинстве случаев самостоятельные действия не дают никаких хороших результатов, а иногда и приводят к плачевным последствиям.
К сожалению, пожарные ситуации возникают слишком часто, и зачастую к ним приводит халатность потребителей, которые не соблюдают основные правила обращения с электроприборами и электричеством в целом. Но намного разумнее предупредить последствия пожара, чем потом горько жалеть о случившемся.
И если в недалеком прошлом защиту от коротких замыканий и перегруза осуществляли классические предохранители из фарфора со сменными вставками, а также пробки, то сегодня это решается с помощью автоматизированного оборудования. Выбирая такой элемент, нужно заранее ознакомиться с его техническими характеристиками и совместимостью с конкретной цепью. Качественный автомат защиты сможет спасти бытовые приборы от повреждения, а жилище от пожарной опасности.
Внутри квартирной проводки наших родителей часто применялись пробки, тонкие проволочные вставки которых просто перегорали от проходящих через них повышенных токов.
На смену им постепенно пришли автоматические выключатели, обладающие бо́льшими техническими возможностями.
Во времена СССР их устанавливали в подъездных распределительных щитах для определенной группы потребителей.
Многие подобные конструкции отличаются высокой надежностью и продолжают безотказно эксплуатироваться уже несколько десятилетий.
Сейчас они претерпели небольшие конструктивные изменения, работают в каждом квартирном щитке, обладают разными функциями, предназначены для отключения конкретных нагрузок. В статье представлен обзор устройств существующих моделей и правила их подбора для индивидуальной проводки.
Автоматические выключатели, используемые в быту, создаются для комплексного решения следующих задач:
Бытовые автоматы создаются для работы в однофазной сети 220 или трехфазной 380 В. Среди них встречаются конструкции, предназначенные для эксплуатации в цепях:
Они могут быть выполнены в однолинейном или многофазном исполнении.
Автоматические выключатели в домашней электропроводке могут включаться только вручную нажатием на кнопку, а отключаются двумя способами:
Сквозь конструкцию любой модели пропускается ток нагрузки. Его величина постоянно контролируется измерительными органами и анализируется логикой. Защита состоит их двух ступеней:
Каждая из них может работать самостоятельно вне зависимости от состояния другой.
Основной деталью является биметаллическая пластина, через которую постоянно протекает ток фазы, осуществляющий ее нагрев. Температура биметалла зависит от проходящей через него электроэнергии и длительности воздействия.
Биметаллическая пластина используется в качестве защелки отключающего механизма, а ее состояние зависит от стадии нагрева. При достижении критической величины создается изгиб, разрывающий силовой контакт выключателя для снятия питания с потребителей.
После такого отключения подать напряжение нажатием на кнопку включения не получится до тех пор, пока биметалл не остынет, вернувшись в исходное состояние.
По обмотке катушки протекает ток нагрузки. Если его величина достигает ставки срабатывания, то подвижный якорь резким ударом притягивается к нижнему полюсу, одновременно разрывая силовой контакт выключателя.
Типовая конструкция одной из многочисленных моделей в разрезе представлена на рисунке.
На клемму верхнего зажимного устройства подключается приходящий проводник фазы, а к нижнему зажиму - отходящий. Ток при включенном силовом контакте проходит сквозь гибкую верхнюю связь на биметаллическую пластину, управляющую механизмом расцепителя. Далее он поступает через обмотку соленоида на неподвижный силовой контакт, к которому прижимается пружинами подвижный контакт, соединенный нижней гибкой связью с отходящим зажимом.
При разрыве силовой цепи под нагрузкой всегда создается дуга, величина которой зависит от мощности разрываемого потока электроэнергии. Ее потенциал при определенных ситуациях способен выжечь металл на подвижном и стационарном контактах.
Поэтому в конструкцию включено дугогасящее устройство, разделяющее дугу на маленькие потоки, сразу подвергаемые резкому охлаждению. Их путь показан на картинке черными завитушками.
Уставка срабатывания биметалла может регулироваться положением винта в механизме расцепителя, а срабатывание отсечки установлено на заводе.
Пластиковый язычок рукоятки через устройство складывающихся рычагов позволяет коммутировать положение силового контакта вручную.
Принцип работы защит выключателя в автоматическом режиме демонстрирует график с отображением отношения аварийных токов к номинальному значению I ном по оси абсцисс и продолжительностью отключения по ординатам.
При незначительном превышении нагрузки до 1,1 I ном (номинального тока) практически создается режим, когда отключение произойдет только через 10 тысяч секунд или порядка 2,5 часа. Это объясняется тем, что по истечении этого времени подобные токи способны разогреть электрические провода до критического состояния, когда начнутся необратимые процессы в слое изоляции.
До этого момента поддерживается баланс между подводом тепла от проходящей нагрузки по электропроводке и его отводом в окружающую среду.
Таким способом создается резерв нормальной работы потребителей при кратковременном превышении ими номинальной мощности или возникновении переходных процессов, связанных с запуском электродвигателей.
Когда значение перегрузки увеличивается, то время отключения тепловым расцепителем уменьшается, например, при пяти кратах I ном отключение биметаллом произойдет за промежуток от 0,01 до 1 секунды.
Если в предыдущей схеме работал принцип обеспечения резерва питания потребителей, то внутри рассматриваемой области он неприемлем. Эта зона предназначена для максимально быстрой ликвидации коротких замыканий, способных совершить аварии в сбалансированной энергосистеме, разрушить оборудование, создать пожар в доме.
Чем больше величина тока КЗ, тем быстрее должна отработать защита. При кратностях аварийных мощностей в 60÷80 раз разрыв цепи силового контакта должен производиться быстрее чем за 10 миллисекунд.
На приведенном графике видно, что у обеих зон имеется общая область, внутри которой защиты резервируют друг друга, а отключение выполняет более быстродействующая.
Основными параметрами автоматов являются:
При определении этого параметра самая важная задача состоит в том, чтобы удачно соблюсти баланс между:
Другим словами, провода с автоматом должны выдерживать токовую и тепловую нагрузки, создаваемые всеми работающим потребителями, а при ее превышении требуется отключение питания защитами.
Последовательность подбора автоматического выключателя по этим характеристикам представлена картинкой.
Для одновременного выбора автомата и проводки рекомендуется выполнить последовательность действий:
По быстроте отключения токовой электромагнитной отсечки автоматические выключатели, используемые в бытовых целях, делятся на 3 класса. Для производственных целей создаются еще три дополнительных группы.
Защиты созданы для зданий со старой алюминиевой проводкой, питающей лампы накаливания, обогреватели, электроплиты, духовки. Кратность токов лежит в пределах 3÷5.
Оптимальная работа оборудования современных квартир со стиральными и посудомоечными машинами, офисной техникой, морозильниками, осветительными приборами с большими пусковыми токами. Кратность 5÷10.
Защита мощных двигателей насосов, компрессоров, подъемников, обрабатывающих станков.
Во всех этих классах работают электромагнитные расцепители, но они не всегда смогут выполнить необходимое быстродействие. Поэтому автоматы класса D нельзя подключать к потребителям, предназначенным для работы с защитами классов С и В.
При возникновении аварий защиты должны работать по определенной, заранее заданной иерархии в комплексе с другими устройствами. Для разъяснения этого принципа показана упрощенная картинка с автоматом АВ1 в квартирном щитке, АВ2 - подъездном, АВ3 - на щите питающей подстанции.
Если в приборе, подключенному к электрической розетке квартиры, пробилась изоляция, то могут сработать все эти защиты. Однако, правильной будет следующая последовательность:
Избирательность подобного срабатывания осуществляется за счет подбора токовых и временных параметров отключающих устройств.
Под этой величиной понимается то значение максимальной нагрузки в амперах, которую способен надежно разрывать автоматический выключатель во время аварии. Если она будет превышена, то механизм просто выйдет из строя.
На ПКС влияют:
Иногда этот параметр путают с коммутационной износоустойчивостью, указывающей на число гарантированных заводом срабатываний до начала износа механизмов.
Бытовые аппараты защиты отличаются быстродействием срабатывания, которое классифицируют длительностью снятия питания по отношению к половине периода гармоники синусоиды.
Его выражают цифрами «1», «2», «3» и записывают дробью, у которой в числителе 1.
Класс 2 отключает КЗ за ½ полупериода, а 3 - 1/3. Класс 3 работает не только быстрее, но и исключает возможность аварийным токам достижения своего максимума. За обеспечение этой характеристики он считается самым совершенным, оптимальным.
Это довольно сложный вопрос, которому не уделяет внимание даже часть электриков ЖКХ. Но если его не учитывать, то вся предыдущая работа по выбору автоматического выключателя может не оправдаться.
Автомат квартирного щитка отключает токи КЗ, возникающие в подключенной схеме. При этом на него приходит напряжение от питающего трансформатора по проводам, которые имеют определенное электрическое сопротивление и по знаменитому закону Георга Ома этим ограничивают величину тока в цепи.
Рассмотрим это положение на примере. Допустим, что прибором электротехнической лаборатории замерили в розетке сопротивление проводов фаза-ноль (от потребителя квартиры до питающего ТН) в 1,3 Ома. Напряжение сети равно 220 вольт.
Ток КЗ составит Iкз=220/1,3=169,2 А.
Создадим мысленно металлическое короткое замыкание в розетке и рассчитаем его ток по формулам ПУЭ для защиты автоматом класса D с номиналом 16 ампер.
I=1,1х16×20=352 А.
Два проведенных расчета показали, что в схеме может возникнуть ток только в 169,2 ампера. А для его отключения подобрали автомат, который будет работать при 352 амперах. Естественно, что он не подходит по этому параметру для рассматриваемой квартиры и не сможет отключать токи КЗ.
Обычно защиту врезают в фазный провод квартиры за исключением вводных выключателей, которыми снимают и потенциал нуля. Это же правило действует и в трехфазных цепях, где применяют модели с тремя или четырьмя полюсами.
Вспомним, что защитный ноль нигде и никогда ни при каких обстоятельствах не должен разрываться.
К ним относятся:
Когда приобретается много автоматов для установки в одном здании, то рекомендуется остановиться на единственном бренде. Но, придется учесть отведенные на покупку материальные затраты.
В остальных случаях допускается использовать надежные бюджетные модели.
После приобретения автомата до его подключения в работу важно проверить основные электрические характеристики аппаратурой электротехнической лаборатории. При этом создаются реальные условия аварии методами прогрузки от дополнительного источника напряжения и анализируется поведение защит, составляется протокол проверки с подписями ответственных работников, выдается заключение о пригодности.
Это позволит исключить последствия небрежной транспортировки, нарушения режима хранения на складах и заводской брак, что важно для обеспечения дальнейшей надежной работы защит.
Вводя в работу только что купленный и непроверенный автомат, вы не имеете никаких гарантий его надежности.
Для более полного закрепления материала статьи рекомендуем посмотреть два виодоролика.
