Введение

1. Автоматические выключатели

2. Автоматические выключатели с тепловыми расцепителями

3. Автоматические выключатели с комбинированным расцепителем

Список литературы

Введение

В настоящее время для защиты сетей и электрических приемников от повреждений, вызываемых током, превышающим допустимую величину, все шире применяются автоматические выключатели. Они служат для проведения, включения и автоматического размыкания электрических цепей при аномальных явлениях, (например при токах перегрузки, КЗ, недопустимых снижения напряжения), а также для нечастого включения цепей вручную. Выключатели выпускаются с тепловыми, электромагнитными и комбинированными (тепловыми и электромагнитными) расцепителями с различным числом полюсов -- одним, двумя и тремя. В однофазных цепях применяют одно- и двухполюсные, а в трехфазных -- трехполюсные.

1. Автоматические выключатели

Автоматические выключатели с электромагнитными расцепителями применяются для защиты сети и электрического приемника от повреждений, вызываемых током короткого замыкания, действующим даже кратковременно. Принципиальная схема такого выключателя изображена на рис 1,а.

Контакт главной цепи замыкается нажатием на кнопку или поворотом рукоятки. При этом преодолевается усилие размыкающей пружины и контакт удерживается в замкнутом положении защелкой 3. Как только ток в защищаемой цепи превысит определенную величину, сердечник 6 втянется в катушку 5 и через рычаг 4 освободит защелку 5. Под действием пружины 1 контакт 2 разомкнётся. На схеме изображен один контакт главной цепи, а практически их может быть два или три, столько же может быть и катушек 5 с сердечниками 6. Всё сердечники при втягивании действуют на одну и ту же защелку 3. Увеличение тока в любом проводе (катушке) до величины, превышающей величину установки тока срабатывания, влечет за собой размыкание всех главных контактов.

Электромагнит с механизмом отключения называется электромагнитным расцепителем. Время отключения автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями незначительное (доли секунды), поэтому они относятся к аппаратам максимальной защиты мгновенного действия.

Преимущество автоматических выключателей перед плавкими предохранителями состоит в том, что они обладают многократностью действия. После срабатывания плавкого предохранителя требуется замена плавкой вставки. Автоматический же выключатель после устранения причины срабатывания можно подготовить для повторной работы нажатием на кнопку или поворотом рукоятки.

Автоматические выключатели применяются не только для отключения приемников при токах короткого замыкания, но и для нечастых включений и отключений их вручную при нормальной работе. Возникающая при размыкании цепи электрическая дуга гасится в воздухе или масле. В зависимости от этого автоматические выключатели называются воздушными или масляными. В цепях с напряжением до 500 В применяются в основном воздушные выключатели.

2. Автоматические выключатели с тепловыми расцепителями

Металлы имеют разные коэффициенты линейного расширения и поэтому при нагревании удлиняются неодинаково. Если две металлические пластины с различными коэффициентами расширения наложить одну на другую и прочно соединить вместе, получится биметаллическая пластина. При нагревании она деформируется выпуклостью в сторону активного слоя металла. Активным называется слой металла, обладающий большим коэффициентом расширения. Другой слой называют пассивным. Активный слой делают из стали, а пассивный -- из инвара (сплав, состоящий из 64 % железа и 36% никеля). Коэффициент линейного расширения инвара в 12 раз меньше стали.

Если один конец биметаллической пластины закрепить, то другой при нагревании будет изгибаться в сторону пассивного слоя. Это свойство пластины используется для освобождения защелки автоматического выключателя. Степень деформации пластины зависит от температуры ее нагрева.

Применяются два способа нагревания пластины: непосредственный и косвенный. При первом ток проходит непосредственно через пластину. При этом количество теплоты, которое выделяется в ней, пропорционально квадрату величины тока, времени его прохождения и сопротивлению пластины. При втором способе ток проходит по нагревательному элементу (небольшой спирали), выполненному из нихрома или другого сплава. Спираль располагают рядом с пластиной или наматывают на нее. Выделяющаяся в этой спирали теплота и нагревает биметаллическую пластину. Перед намоткой спирали биметаллическая пластина покрывается электроизоляцией, например слюдой.

На рис.1,6 изображена схема автоматического выключателя с тепловым расцепителем. Контакт 2 главной цепи замыкают вручную кнопкой или рукояткой, g замкнутом положении он удерживается защелкой 3. При прохождении по сети тока, величина которого меньше определенного значения, биметаллическая пластина 7 нагревается незначительно, и ее изгиба вверх недостаточно для того, чтобы передать усилие на защелку 3. Если же по спирали 8 будет проходить ток, величина которого превысит это определенное значение, то через некоторое время правый конец пластины 7 изогнется вверх настолько, что через толкатель 4 поднимет рычаг защелки 3. Под действием пружины 1 разомкнётся контакт 2. Время, через которое произойдет размыкание контакта, зависит от степени перегрузки сети. Тепловые расцепители не могут срабатывать мгновенно, особенно при косвенном нагреве биметаллической пластины. Нагрев и деформация ее не происходят мгновенно даже при очень большом выделении теплоты в спирали.

Автоматические выключатели с тепловыми расцепителями отключают сеть с выдержкой времени в обратной зависимости от величины тока перегрузки. При больших перегрузках отключение происходит быстрее. На схеме изображен один контакт выключателя, а их может быть два или три.

Определение и виды расцепителей, их преимущества и недостатки; примеры автоматических выключателей с тепловым, электромагнитным, полупроводниковым и электронным расцепляющим устройством; процессы протекающие при сверхтоках

Определение расцепителя

Расцепители разделим на две условные группы:

• основные расцепители для защиты цепей;
• вспомогательные расцепители для расширения функциональности.

Основным расцепителем (первая группа), применительно к автоматическому выключателю , называется устройство способное распознавать критическую ситуацию (появление сверхтока) и заблаговременно пресекать её развитие (вызывать расхождение главных контактов).

Вспомогательные расцепители - дополнительные устройства (ими не комплектуют базовые исполнения автоматов, а снабжают лишь заказные специальные исполнения):

• независимый расцепитель (дистанционное отключение автоматического выключателя по сигналу из вспомогательной цепи);
• расцепитель минимального напряжения (отключает автомат при падении напряжения ниже допустимого);
• расцепитель нулевого напряжения (вызывает расцепление контактов при существенном падении напряжения).

Определения терминов

Под сверхтоком понимают силу тока превышающую номинальный (рабочий) ток. Под это определение попадает ток короткого замыкания и ток перегрузки.

Ток перегрузки - сверхток, действующий в функциональной сети (длительное воздействие перегрузок может вызвать повреждение цепи).
Ток короткого замыкания (КЗ) - сверхток, который обусловлен замыканием двух элементов с очень низким полным сопротивлением между ними, при этом в нормальной работе эти элементы наделены различным потенциалом (замыкание накоротко может быть вызвано не верным подсоединением или повреждением). Например, механические воздействия или старение изоляции, вызывает соприкосновение токопроводящих жил и короткое замыкание.
Высокое значение тока короткого замыкания распознаётся из формулы:
I = U / R (сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению).
Следовательно, как только R → к 0, тогда I → к бесконечности.

Через главные контакты в автоматическом выключателе при нормальной эксплуатации протекает номинальный ток. Механизм свободного расцепления коммутационного аппарата имеет чувствительные элементы (например, поворотная отключающая рейка). Воздействие расцепителя на эти элементы способствует мгновенному автоматическому срабатыванию, то есть расцеплению контактной системы.

Максимальный расцепитель тока (МРТ) - расцепитель, вызывающий размыкание главных контактов с выдерживанием некоторого промежутка времени или без него, как только действующее значение тока превышает заданный порог.
МРТ с обратнозависимой выдержкой времени - максимальный расцепитель тока, инициирующий расцепление контактов после истекания заданного времени, которое обратнозависимо от силы тока.
МРТ прямого действия - максимальный расцепитель тока, инициирующий срабатывание непосредственно от действующего сверхтока.

Определения максимального расцепителя тока, тока КЗ и перегрузки взяты (перефразированы без потери смысла) из стандарта ГОСТ 50345 .

Виды расцепителей , применяемых в автоматических выключателях

В автоматические выключатели устанавливают один или комбинацию, из указанных ниже расцепителей:

• обеспечивают базовую защиту от сверхтоков, заводские настройки не меняются в процессе эксплуатации:
  • тепловой расцепитель или расцепитель перегрузки;
  • электромагнитный расцепитель или расцепитель короткого замыкания;

• один из предложенных ниже заменяет первые два, в процессе эксплуатации допускается регулировка (время выдержки при сверхтоке для обеспечения селективности , какой ток считать перегрузкой, какой коротким замыканием):
  • полупроводниковый расцепитель;
  • электронный расцепитель;

• дополнительные расцепляющие устройства для расширение функциональности:
  • независимый расцепитель;
  • расцепитель минимального напряжения;
  • расцепитель нулевого напряжения.

Следует принять во внимание, что дешёвыми устройствами являются электромагнитный и тепловой расцепители. Автоматические выключатели укомплектованные полупроводниковым или электронным расцепителем (они функционально заменяют сочетание теплового и электромагнитного расцепителя) стоят от 1200 $ и выше, поэтому их применяют как вводные аппараты на номинальные токи от 630 А (бывают редкие исключения меньшего ампеража).

В видеоролике кратко рассказано о конструкции автоматического выключателя, в частности о тепловых и электромагнитных расцепителях:

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину , которая при нагревании изгибается и воздействует на механизм свободного расцепления.
Биметаллическую пластину изготавливают методом механического соединения двух металлических лент. Выбирают два материала с разными коэффициентами температурного расширения и соединяются между собой с помощью спаивания, заклёпывания или сваривают.
Допустим, нижний материал в биметаллической пластине при нагревании удлиняется меньше, чем верхний металл, тогда изгиб произойдёт вниз.

Тепловой расцепитель защищает от токов перегрузки и настраивается на определённые режимы срабатывания.

Например, для изделия серии ВА 51-35 расцепители перегрузки калибруют при температуре +30 °С на:

• условный ток нерасцепления 1,05·In (время 1 час для In ≤ 63 А и 2 часа для In ≥ 80 А);
• условный ток расцепления 1,3·In для переменного тока и 1,35·In для постоянного тока.

Обозначение 1,05·In - означает кратность номинальному току. Например, при номинальном токе In = 100 А условный ток нерасцепления равен 105 А.
На времятоковых характеристиках (графики всегда имеются в заводских каталогах) наглядно показывают зависимость времени срабатывания теплового и электромагнитного расцепителей от значения протекающего сверхтока.

Преимущества:

• нет трущихся поверхностей;
• обладают хорошей вибростойкостью;
• легко переносят загрязнение;
• простота конструкции → низкая цена.

Недостатки:

• постоянно потребляют электрическую энергию;
• чувствительны к изменениям температуры окружающей среды;
• при нагреве от сторонних источников могут вызывать ложные срабатывания.

Электромагнитный расцепитель

Электромагнитный (аббревиатура ЭМ) расцепитель является устройством мгновенного действия. Представляет собой соленоид, сердечник которого воздействует на механизм свободного расцепления. При протекании сверхтока по обмотке соленоида, рождается магнитное поле, которое перемещает сердечник, с преодолением сопротивления возвратной пружины.

ЭМ расцепитель настраивают на срабатывание при токах КЗ значениями от 2 до 20·In. Погрешность настройки варьируется в пределах ±20 % от заданного значения.

Для силовых автоматических выключателей уставку срабатывания при коротком замыкании (значение тока, при котором инициируется расцепление) могут указывать как значением в амперах, так и в кратности номинальному току. Встречаются уставки:

• 3,5·In;
• 7·In;
• 10·In;
• 12·In;
• и другие.

Например, при номинальном токе автомата In = 200 А, при уставке 7·In расцепление наступит при достижении сверхтоком значения 7 · 200 = 1400 А.

• B (3-5);
• C (5-10);
• D (10-50).

В скобках указаны предельные значения от номинального тока In, при которых произойдёт расхождение контактов.

Достоинства:

• простота конструкции;

Недостатки:

• создаёт магнитное поле;
• срабатывает мгновенно, без выдержки времени.

Под выдержкой времени понимается обеспечение селективности. Селективность или избирательность достигается, когда вводной автоматический выключатель распознаёт замыкание накоротко и некоторое заданное время пропускает его. Этого времени достаточно для срабатывая нижестоящего защитного устройства. В таком случае отключается не весь объект, а только повреждённая ветвь.

Аппараты с выдержкой времени или селективные - категория применения В (все автоматы с электронным или полупроводниковым расцепителем).
Аппараты мгновенного действия или неселективные - категория применения А (фактически все автоматические выключатели с электромагнитным расцепляющим устройством).

Термомагнитный или комбинированный расцепитель

Часто применяется последовательное соединение теплового и электромагнитного расцепителя. В зависимости от производителя, такое связывание двух устройств называют комбинированным или термомагнитным расцепителем. Словосочетание «термомагнитный расцепитель» зачастую используют в зарубежных каталогах и литературе.

Явления, вызываемые сверхтоками

При появлении тока короткого замыкания возникают следующие явления:

• электродинамические силы;
• магнитное поле;
• тепловое напряжение (перегрев).

При перегрузке определяющим фактором остаётся перегрев токопроводящих частей.

Электродинамические силы

Электродинамические силы воздействует на проводник, с протекающим по нему током, который находится в магнитном поле с индукцией В.
При протекании номинального тока электродинамические силы незначительны, но при появлении тока КЗ эти силы могут привести не только к деформации и поломке отдельных частей коммутационного аппарата, но и разрушению самого автомата.
Производятся специальные расчёты на электродинамическую стойкость, которые особенно актуальны при тенденции к уменьшению габаритных характеристик (сокращаются расстояния между токопроводящими частями полюсов).

Магнитное поле

Магнитное поле является одним из факторов, порождающих электродинамические силы.
Магнитные поля отрицательно влияют на работу электрооборудования, особенно это касается измерительных приборов и компьютеров.

Тепловое напряжение (перегрев)

При протекании через проводник любого тока с силой I, его жила разогревается, что может привести к возгораниям или повреждению изоляции.
При возникновении сверхтоков перегрев имеет актуальное значение, если не блокировать КЗ, давая достигать максимальных значений.

В каждой электрической цепи устанавливаются различные защитные устройства. Довольно часто в дополнение к ним используется независимый расцепитель, связанный с автоматическим выключателем механическим способом. В случае возникновения условий, грозящих повреждениями приборам и самой линии, он своевременно разрывает электрическую цепь. Обычно это происходит при коротком замыкании, пробоях и утечках, а также росте силы тока выше номинальных пределов, опасных для кабелей и проводов.

Общее устройство расцепителя и схема подключения

Каждый независимый расцепитель представляет собой устройство, с помощью которого выполняется дистанционное отключение защитной аппаратуры. Как правило, он используется в связке с различными автоматическими выключателями - с одним, двумя, тремя или четырьмя полюсами. Обычно расцепитель подключается к вводному автомату и при возникновении аварийной ситуации производит полное обесточивание щитка.

Конструкция расцепителя выполнена в виде электромагнита. Когда на него поступает кратковременный импульс, прибор специальным рычагом оказывает воздействие на механизм, отключающий автоматическое защитное устройство. Электромагнитные катушки, используемые в конструкции, могут быть разные, рассчитанные на переменный или постоянный ток напряжением 12-60 В и 110-415 В, в соответствии с той или иной модификацией. Крепление к автомату также зависит от конкретной модели и выполняется на правую или левую сторону.

От правильного соединения расцепителя с защитным устройством зависит четкое срабатывание всей системы.

Нормальная работа обоих приборов во многом зависит от соблюдения всех требований схемы подключения. Например, фазные проводники должны подключаться от нижних фазных клемм автомата. При несоблюдении этого условия высока вероятность выхода из строя, неправильно подключенного расцепителя. В норме автоматический выключатель с независимым расцепителем должен отключиться, а напряжение с катушки прибора исчезнуть.

Дистанционное управление срабатыванием осуществляется с помощью замыкающего контакта одного из приборов пожарной сигнализации или путем нажатия обычной кнопки с замыкающими контактами. По аналогичной схеме производится отключение сразу нескольких расцепляющих устройств, распределенных по отдельным группам.

Независимый расцепитель для автоматических выключателей

Как уже отмечалось, данное устройство является дополнительным защитным элементом электрической цепи. С его помощью осуществляется дистанционное отключение автоматов или выключателей нагрузки.

Наибольшее распространение независимый расцепитель получил при составлении проектов вентиляционных систем. В соответствии с нормативными документами, в случае возникновения пожара, вентиляция должна быть очень быстро отключена. Поэтому к вводному автомату, установленному в щите, обслуживающем вентиляционную систему, дополнительно подсоединяется независимый расцепитель.

В электрические щиты, рассчитанные на ток до 100 ампер, устанавливаются модульные автоматы. Общий ввод в большинстве случаев защищен выключателем нагрузки. Именно к нему и подключается независимое расцепляющее устройство, выполняющее отключение при нештатных ситуациях. Если же ток на входе составляет свыше 100 А, требуется установка более мощного автоматического выключателя. К нему же можно подобрать наиболее подходящий независимый расцепитель.

С помощью этого прибора возможно отключение не только однофазной, но и трехфазной аппаратуры. Для того чтобы расцепитель начал действовать, вполне достаточно одной подачи импульса напряжения на его катушку. Возвращение расцепителя в исходное состояние осуществляется с помощью кнопки «возврат». Ее нажатие вручную указывает на дистанционное отключение, а не срабатывание в результате короткого замыкания.

Срабатывание независимых расцепителей может произойти по разным причинам. Наибольшее распространение получили следующие:

• Чрезмерные скачки напряжения в сторону увеличения или уменьшения.
• Нарушение установленных параметров, изменение состояния электрического тока.
• Сбой в работе автоматов, невозможность выполнения ими своих функций.

Существуют аналогичные отключающие устройства, используемые совместно с автоматическими выключателями. Они выполняют те же самые функции, но по принципу работы являются тепловыми и электромагнитными.

Тепловые расцепители автоматов

Основным элементом тепловых расцепляющих устройств служит биметаллическая пластина. Она изготовлена из двух металлов, каждый из которых имеет собственный коэффициент теплового расширения.

Оба металла спрессованы между собой и во время нагрева у них возникает различная степень расширения, что в свою очередь вызывает деформацию и искривление пластины. Если ситуация с током не придет в норму на протяжении определенного периода времени, то пластина под действием повышающейся температуры коснется контактов автомата, отключая электрическую цепь.

Таким образом, срабатывание теплового расцепителя вызывается повышением температуры пластины под действием чрезмерной нагрузки на каком-либо участке, находящемся под защитой автомата. То есть, к проводу или кабелю с определенным сечением, можно подключить строго лимитированное количество приборов и оборудования. При попытке включения еще одного устройства, общая мощность приборов превысит ее допустимое значение для данного кабеля. Сила тока начнет расти и вызовет нагрев проводника. Сильный перегрев нередко приводит к расплавлению изоляционного слоя и возгоранию.

Подобная ситуация предотвращается работой теплового расцепителя. Нагрев биметаллической пластины происходит вместе с проводом, и через некоторое время ее изгиб, воздействуя на автомат, отключает подачу тока. После остывания защитное устройство включается вручную с предварительным отключением приборов, вызвавших перегрузку. Без этой процедуры автомат вновь отключится через некоторое время.

Использование теплового расцепителя требует точного соответствия сечению данного кабеля. Несоблюдение этого условия приведет к срабатываниям даже при нормальных нагрузках. И, наоборот, при опасном превышении тока расцепитель не среагирует и проводка выйдет из строя.

Автоматы с электромагнитными расцепителями

Отключающиеся устройства, в которые входит независимый расцепитель и тепловой расцепитель, дополняется электромагнитным устройством с аналогичными функциями.

Необходимость их использования продиктована спецификой тепловых расцепителей, которые не могут срабатывать мгновенно и выполняют отключение лишь в течение одной секунды и более. В связи с этим, они не могут обеспечить эффективную защиту от коротких замыканий. Поэтому в дополнение к тепловому, устанавливается еще одно расцепляющее устройство - электромагнитное.

Конструкция электромагнитных устройств состоит из катушки индуктивности - соленоида и сердечника. В обычном рабочем режиме цепи электроны проходят через соленоид и образуют слабое магнитное поле, не влияющее на общую работоспособность сети. Когда возникает короткое замыкание, сила тока мгновенно увеличивается во много раз. Одновременно наблюдается пропорциональный рост мощности магнитного поля. Под его воздействием происходит мгновенный сдвиг сердечника, оказывающего воздействие на отключающий механизм. Тем самым предотвращаются серьезные последствия от действия сверхтоков коротких замыканий.

Как проверить исправность и работоспособность расцепителя

Данная проверка должна выполняться только квалифицированными специалистами. Действия выполняются в следующем порядке:

• Визуальный осмотр поверхности корпуса на предмет сколов, трещин и прочих дефектов.
• Сделать несколько щелчков выключателем. Рычажок должен легко становиться во все положения.
• На следующем этапе нужно выполнить так называемую прогрузку устройства, путем создания неблагоприятных условий. Для этого потребуется специальная аппаратура и присутствие квалифицированного электротехника. Основным показателем тестирования является временной промежуток с момента возрастания тока и до полного отключения устройства. Точно такая же процедура производится на приборе со снятым корпусом.
• Во время проверки теплового расцепителя, нужно обязательно установить время, необходимое, чтобы отключить устройство, находящееся под влиянием повышенной силы тока.

Тепловой расцепитель - обеспечивает защиту только от перегрузок по току.

Электромагнитный расцепитель - обеспечивает защиту только от коротких замыканий.

Термо-магнитный (магнитотермический, комбинированный) расцепитель - состоит из двух типов расцепителей - теплового и электромагнитного. Обеспечивает защиту как от перегрузки по току так и от коротких замыканий.

Термо-магнитный (магнитотермический, комбинированный) расцепитель, с защитой от токов утечек - кроме защиты от перегрузок и коротких замыканий обеспечивает защиту людей и электроустановок от замыкания на землю.

Электронный расцепитель (электронный блок защиты - Overcurrent Release) - (в зависимости от исполнения) обеспечивает максимальное количество типов защит.

Устройство расцепителей

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, которая при нагревании изгибается и воздействует на механизм свободного расцепления. Биметаллическую пластину изготавливают методом механического соединения двух металлических лент. Выбираются два материала с разными коэффициентами температурного расширения и соединяются между собой с помощью спаивания, заклёпывания или свариваются.

Преимущества:

• нет подвижных частей;
• нетребовательность к загрязнениям;
• простота конструкции;
• низкая цена.

Недостатки:

• высокое собственное потребление энергии;
• чувствительны к изменениям температуры окружающей среды;
• при нагреве от сторонних источников могут вызывать ложные срабатывания.

Электромагнитный расцепитель

Электромагнитный расцепитель является устройством мгновенного действия. Представляет собой соленоид, сердечник которого воздействует на механизм свободного расцепления. При протекании по обмотке соленоида сверхтока, создаётся магнитное поле, которое перемещает сердечник, с преодолением сопротивления возвратной пружины.

ЭМ расцепитель может настраиваться (на заводе производителе или потребителем) на срабатывание при токах КЗ значениями от 2 до 20 In. Погрешность настройки варьируется около ±20% от заданного значения силы тока для выключателей в литом корпусе.
Для силовых автоматических выключателей уставку срабатывания при коротком замыкании (значение тока, при котором инициируется расцепление) могут указывать как значением в амперах, так и в кратности номинальному току.
Встречаются уставки: 3,5In; 7In, 10In; 12In и другие.

Достоинства:

• простота конструкции;

Недостатки:

• создаёт магнитное поле.

Термомагнитный расцепитель

Тепловой расцепитель - это биметаллическая пластина, состоящая из двух слоев сплавов с различными коэффициентами термического расширения. При прохождении электрического тока пластина нагревается и изгибается в сторону слоя с меньшим коэффициентом термического расширения. При превышении заданного значения силы тока, изгиб пластины достигает величины, достаточной для приведения в действие механизма расцепления, и цепь размыкается, отсекая защищаемую нагрузку.

Электромагнитный расцепитель состоит из соленоида с подвижным стальным сердечником, удерживаемым пружиной. При превышении заданного значения тока, по закону электромагнитной индукции в катушке наводится электромагнитное поле, под действием которого сердечник втягивается внутрь катушки соленоида, преодолевая сопротивление пружины, и вызывает срабатывание механизма расцепления. В нормальном режиме работы в катушке также наводится магнитное поле, но его силы недостаточно, чтобы преодолеть сопротивление пружины и втянуть сердечник.

Как работает автомат в режиме перегрузки

Режим перегрузки возникает, когда ток в подключенной к автомату цепи превышает номинальное значение, на которое рассчитан автоматический выключатель. При этом повышенный ток, проходящий через тепловой расцепитель, вызывает повышение температуры биметаллической пластины и, соответственно, увеличение ее изгиба вплоть до срабатывания механизма расцепления. Автомат отключается и размыкает цепь.

Срабатывание тепловой защиты не происходит мгновенно, поскольку на разогрев биметаллической пластины потребуется некоторое время. Это время может варьироваться в зависимости от величины превышения номинального значения тока от нескольких секунд до часа.

Такая задержка позволяет избежать отключения питания при случайных и непродолжительных повышениях тока в цепи (например, при включении электродвигателей которые имеют большие пусковые токи).

Минимальное значение тока, при котором должен сработать тепловой расцепитель, устанавливается при помощи регулировочного винта на заводе-изготовителе. Обычно это значение в 1,13-1,45 раз превышает номинал, указанный на маркировке автомата.

На величину тока, при котором сработает тепловая защита, влияет и температура окружающей среды. В жарком помещении биметаллическая пластина прогреется и изогнется до срабатывания при меньшем токе. А в помещениях с низкими температурами ток, при котором сработает тепловой расцепитель, может оказаться выше допустимого.

Причиной перегрузки сети является подключение к ней потребителей, суммарная мощность которых превышает расчетную мощность защищаемой сети. Одновременное включение различных видов мощной бытовой техники (кондиционер, электрическая плита , стиральная и посудомоечная машина, утюг, электрочайник и т.д.) - вполне может привести к срабатыванию теплового расцепителя.

В этом случае определитесь, какие из потребителей можно отключить. И не спешите снова включать автомат. Вы все равно не сможете взвести его в рабочее положение, пока он не остынет, а биметаллическая пластина расцепителя не вернется в свое исходное состояние. Теперь вы знаете как работает автоматический выключатель при перегрузках

Как работает автомат в режиме короткого замыкания

В случае короткого замыкания принцип работы автоматического выключателя иной. При коротком замыкании ток в цепи резко и многократно возрастает до значений, способных расплавить проводку, а точнее изоляцию электропроводки. Для того чтобы предотвратить такое развитие событий необходимо мгновенно разорвать цепь. Электромагнитный расцепитель именно так и срабатывает.

Электромагнитный расцепитель представляет собой катушку соленоида, внутри которой расположен стальной сердечник, удерживаемый в фиксированном положении пружиной.

Многократное возрастание тока в обмотке соленоида, происходящее при коротком замыкании в цепи, приводит к пропорциональному возрастанию магнитного потока, под действием которого сердечник втягивается в катушку соленоида, преодолевая сопротивление пружины, и нажимает на спусковую планку механизма расцепления. Силовые контакты автомата размыкаются, прерывая питание аварийного участка цепи.

Таким образом, срабатывание электромагнитного расцепителя защищает от возгорания и разрушения электропроводку, замкнувший электроприбор и сам автомат. Время его срабатывания составляет порядка 0,02 секунды, и электропроводка не успевает разогреться до опасных температур.

В момент размыкания силовых контактов автомата, когда по ним проходит большой ток, между ними возникает электрическая дуга, температура которой может достигать 3000 градусов.

Чтобы защитить контакты и другие детали автомата от разрушительного воздействия этой дуги, в конструкции автомата предусмотрена дугогасительная камера. Дугогасительная камера представляет собой решетку из набора металлических пластин, которые изолированы друг от друга.

Дуга возникает в месте размыкания контакта, а затем один ее конец движется вместе с подвижным контактом, а второй скользит сначала по неподвижному контакту, а потом по соединенному с ним проводнику, ведущему к задней стенке дугогасительной камеры.

Там она делится (дробится) на пластинах дугогасительной камеры, слабеет и гаснет. В нижней части автомата предусмотрены специальные отверстия для отвода газов, образующихся при горении дуги.

В случае отключения автомата при срабатывании электромагнитного расцепителя, вы не сможете пользоваться электричеством до тех пор пока не найдете и не устраните причину короткого замыкания. Вероятнее всего причина в неисправности одного из потребителей.

Отключите все потребители и попробуйте включить автомат. Если вам это удалось и автомат не выбивает, значит, действительно - виноват один из потребителей и вам осталось выяснить какой именно. Если же автомат и с отключенными потребителями снова выбивает, значит все гораздо сложнее, и мы имеем дело с пробоем изоляции проводки. Придется искать, где это произошло.

Вот таков принцип работы автоматического выключателя в условиях различных аварийных ситуаций.

Если отключение автоматического выключателя стало для вас постоянной проблемой, не пытайтесь решить ее установкой автомата с большим номинальным током.

Автоматы устанавливаются с учетом сечения вашей проводки, и, значит, больший ток в вашей сети просто не допускается. Найти решение проблемы можно только после полного обследования системы электроснабжения вашего жилища профессионалами.

Критерий выбора автоматических выключателей

Основными показателями на которые ссылаются при выборе автоматов являются:

Количество полюсов;

Номинальное напряжение;

Максимальный рабочий ток;

Отключающая способность (ток короткого замыкания).

Количество полюсов

Количество полюсов автомата определяется из числа фаз сети. Для установки в однофазной сети используют однополюсные или двухполюсные. Для трехфазной сети применяют трех- и четырехполюсные (сети с системой заземления нейтрали TN-S). В бытовых секторах обычно используют одно- или двухполюсные автоматы.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение автомата это напряжение на которое рассчитан сам автомат. Не зависимо от места установки напряжение автоматадолжно быть равным или большим сети:

Максимальный рабочий ток

Максимальный рабочий ток. Выбор автоматов по максимальному рабочему току заключается в том чтобы номинальный ток автомата (номинальный ток расцепителя)был больше или равен максимальному рабочему (расчетному) токукоторый может длительно проходить по защищаемому участку цепи с учетом возможных перегрузок:

Чтобы узнать максимальный рабочий ток для участка сети (например для квартиры) нужно найти суммарную мощность. Для этого суммируем мощность всех приборов, которые будут подключатся через данный автомат (холодильник, телевизор, св-печь и т.п.).Величину тока из полученной мощности можно найти двумя способами: методом сопоставления или по формуле.

Для сети 220 В при нагрузке в 1 кВт, ток составляет 5 А. В сети с напряжением 380 В величина тока для 1 кВт мощности составляет 3 А. С помощью такого варианта сопоставления можно найти ток через известную мощность. К примеру, суммарная мощность в квартире получилась 4.6 кВт, ток при этом равен примерно 23 А. Для более точного нахождения тока можно воспользоваться известной формулой:

Для бытовых электроприборов.

Отключающая способность

Отключающая способность. Выбор автомата по номинальному току отключения сводится к тому, чтобы ток который автомат способен отключитьбыл больше тока короткого замыканияв точке установки аппарата: Номинальный ток отключения это наибольший ток к.з. который автомат способен отключить при номинальном напряжении.

При выборе автоматов промышленного назначения их дополнительно проверяют на:

Электродинамическую стойкость:

Термическую стойкость:

Автоматические выключатели выпускаются с такой шкалой номинальных токов : 4, 6, 10, 16, 25, 32, 40, 63, 100 и 160 А.

В жилых секторах (дома, квартиры) как правило устанавливают двухполюсные автоматы с номиналом в 16 или 25 А и током отключения 3 кА.

Что такое время токовые характеристики автоматических выключателей

При нормальной работе электросети и всех приборов через автоматический выключатель протекает электрический ток . Однако если сила тока по каким-либо причинам превысила номинальные значения , происходит размыкание цепи из-за срабатывания расцепителей автоматического выключателя.

Характеристика срабатывания автоматического выключателя является очень важной характеристикой, которая описывает то, насколько время срабатывания автомата зависит от отношения силы тока, протекающего через автомат, к номинальному току автомата.

Данная характеристика сложна тем, что для ее выражения необходимо использование графиков. Автоматы с одним и тем же номиналом будут при разных превышениях тока по-разному отключаться в зависимости от типа кривой автомата (так иногда называется токовая характеристика), благодаря чему имеется возможность применять автоматы с разной характеристикой для разных типов нагрузки.

Тем самым, с одной стороны, осуществляется защитная токовая функция, а с другой стороны, обеспечивается минимальное количество ложных срабатываний - в этом и заключается важность данной характеристики.

В энергетических отраслях бывают ситуации, когда кратковременное увеличение тока не связано с появлением аварийного режима и защита не должно реагировать на такие изменения. Это же относится и к автоматам.

При включении какого-нибудь мотора, к примеру, дачного насоса или пылесоса, в линии происходит достаточно большой бросок тока, который в несколько раз превышает нормальный.

По логике работы, автомат, конечно же, должен отключиться. К примеру, мотор потребляет в пусковом режиме 12 А, а в рабочем - 5. Автомат стоит на 10 А, и от 12 его вырубит. Что в таком случае делать? Если например поставить на 16 А, тогда непонятно отключится он или нет если заклинит мотор или замкнет кабель.

Можно было бы решить эту проблему, если его поставить на меньший ток, но тогда он будет срабатывать от любого движения. Вот для этого и было придумано такое понятие для автомата, как его «время токовая характеристика».

Какие существуют время токовые характеристики автоматических выключателей и их отличие между собой

Как известно основными органами срабатывания автоматического выключателя являются тепловой и электромагнитный расцепитель.

Тепловой расцепитель представляет собой пластину из биметалла, изгибающуюся при нагреве протекающим током. Тем самым в действие приводится механизм расцепления, при длительной перегрузке срабатывая, с обратнозависимой выдержкой времени. Нагрев биметаллической пластинки и время срабатывание расцепителя напрямую зависят от уровня перегрузки.

Электромагнитный расцепитель является соленоидом с сердечником, магнитное поле соленоида при определенном токе втягивает сердечник, приводящий в действие механизм расцепления - происходит мгновенное срабатывание при КЗ, благодаря чему пострадавший участок сети не будет дожидаться прогревания теплового расцепителя (биметаллической пластины) в автомате.

Зависимость времени срабатывания автомата от силы тока, протекающего через автомат, как раз и определяется время токовой характеристикой автоматического выключателя.

Наверное, каждый замечал изображение латинских букв B, C, D на корпусах модульных автоматов. Так вот они характеризуют кратность уставки электромагнитного расцепителя к номиналу автомата, обозначая его время токовую характеристику.

Эти буквы указывают ток мгновенного срабатывания электромагнитного расцепителя автомата. Проще говоря, характеристика срабатывания автоматического выключателя показывает чувствительность автомата - наименьший ток при котором автомат отключится мгновенно.

Автоматы имеют несколько характеристик, самыми распространенными из которых являются:

B - от 3 до 5 ×In;

C - от 5 до 10 ×In;

D - от 10 до 20 ×In.

Что означают цифры указанные выше?

Приведу небольшой пример. Допустим, есть два автомата одинаковой мощности (равные по номинальному току) но характеристики срабатывания (латинские буквы на автомате) разные: автоматы В16 и С16.

Диапазоны срабатывания электромагнитного расцепителя для В16 составляет 16*(3...5)=48...80А. Для С16 диапазон токов мгновенного срабатывания 16*(5...10)=80...160А.

При токе 100 А автомат В16 отключится практически мгновенно, в то время как С16 отключится не сразу а через несколько секунд от тепловой защиты (после того как нагреется его биметаллическая пластина).

В жилых зданиях и квартирах, где нагрузки чисто активные (без больших пусковых токов), а какие-нибудь мощные моторы включаются нечасто, самыми чувствительными и предпочтительными к применению являются автоматы с характеристикой B. На сегодняшний день очень распространена характеристика С, которую также можно использовать для жилых и административных зданий.

Что касается характеристики D, то она как раз годится для питания каких-либо электромоторов, больших двигателей и других устройств, где могут быть при их включении большие пусковые токи. Также через пониженную чувствительность при КЗ автоматы с характеристикой D могут быть рекомендованы для использования как вводные для повышения шансов селективности со стоящими ниже групповыми АВ при КЗ.

Что защищает автоматический выключатель

Прежде чем подбирать автомат, стоит разобраться, как он работает и что он защищает. Многие люди считают, что автомат защищает бытовые приборы . Однако это абсолютно не так. Автомату нет никакого дела до приборов, которые вы подключаете к сети - он защищает электропроводку от перегрузки.

Ведь при перегрузке кабеля или возникновении короткого замыкания возрастает сила тока, что приводит к перегреву кабеля и даже возгоранию проводки.

Особенно сильно возрастает сила тока при коротком замыкании. Величина силы тока может возрасти до нескольких тысяч ампер. Конечно, никакой кабель не способен долго продержаться при такой нагрузке. Тем более, кабель сечением 2,5 кв. мм, который часто используют для прокладки электропроводки в частных домовладениях и квартирах. Он попросту загорится, как бенгальский огонь. А открытый огонь в помещении может привести к пожару.

Поэтому правильный расчет автоматического выключателя играет очень большую роль. Аналогичная ситуация возникает при перегрузках - автоматический выключатель защищает именно электропроводку.

Когда нагрузка превышает допустимое значение, сила тока резко возрастает, что приводит к нагреванию провода и оплавлению изоляции. В свою очередь, это может привести к возникновению короткого замыкания. А последствия такой ситуации предсказуемы - открытый огонь и пожар!

По каким токам производят расчет автоматов

Функция автоматического выключателя состоит в защите электропроводки, подключенной после него. Основным параметром, по которому производят расчет автоматов, является номинальный ток. Но номинальный ток чего, нагрузки или провода?

Исходя из требований ПУЭ 3.1.4, токи уставок автоматических выключателей которые служат для защиты отдельных участков сети, выбираются по возможности меньше расчетных токов этих участков или по номинальному току приемника.

Расчет автомата по мощности (по номинальному току электроприемника) производят, если провода по всей длине на всех участках электропроводки рассчитаны на такую нагрузку. То есть допустимый ток электропроводки больше номинала автомата.

Например, на участке, где используется провод сечением 1 кв. мм, величина нагрузки составляет 10 кВт. Выбираем автомат по номинальному току нагрузки - устанавливаем автомат на 40 А. Что произойдет в этом случае? Провод начнет греться и плавиться, поскольку он рассчитан на номинальный ток 10-12 ампер, а сквозь него проходит ток в 40 ампер. Автомат отключится лишь тогда, когда произойдет короткое замыкание. В результате может выйти из строя проводка и даже случиться пожар.

Поэтому определяющей величиной для выбора номинального тока автомата является сечение токопроводящего провода. Величина нагрузки учитывается лишь после выбора сечения провода. Номинальный ток, указанный на автомате, должен быть меньше максимального тока, допустимого для провода данного сечения.

Таким образом, выбор автомата производят по минимальному сечению провода, который используется в проводке.

Например, допустимый ток для медного провода сечением 1,5 кв. мм, составляет 19 ампер. Значит, для данного провода выбираем ближайшее значение номинального тока автомата в меньшую сторону, составляющее 16 ампер. Если выбрать автомат со значением 25 ампер, то проводка будет греться, так как провод данного сечения не предназначен для такого тока. Чтобы правильно произвести расчет автоматического выключателя, необходимо, в первую очередь, учитывать сечение провода.

Принцип действия

Автоматические выключатели с электромагнитными расцепителями применяются для защиты сети и электрического приемника от повреждений, вызываемых током короткого замыкания, действующим даже кратковременно. При этом каждый автомат снабжается расцепителем максимального, а в некоторых типах расцепителем минимального напряжения.

По выполняемым функциям защиты автоматические выключатели делятся на автоматы: максимального тока, понижения напряжения и обратной мощности.

Автоматы максимального тока служат для автоматического размыкания электрической цепи при возникновении в ней токов короткого замыкания и перегрузок сверх установленного предела. Заменяя собой, рубильник и плавкий предохранитель, они обеспечивают более надежную и избирательную защиту при нештатных режимах.

Если условия среды отличны от нормальных (влажность воздуха выше 85% и в нем содержатся примеси вредных паров), то автоматические выключатели следует помещать в ящики и шкафы пылевлагонепроницаемого и химостойкого исполнения.

Классификация

Автоматические выключатели подразделяются на:

· установочные автоматические выключатели имеют защитный изоляционный (пластмассовый) корпус и могут устанавливаться в общедоступных местах;

· универсальные - не имеют такого корпуса и предназначены для установки в распределительных устройствах;

· быстродействующие (собственное время срабатывания не превышает 5 мс);

· небыстродействующие (от 10 до 100 мс);

Быстродействие обеспечивается самим принципом действия (поляризованный электромагнитный или индукционно-динамический принципы и др.), а также условиями для быстрого гашения электрической дуги. Подобный принцип используется в токоограничивающих автоматах;

· селективные, имеющие регулируемое время срабатывания в зоне токов короткого замыкания;

· а втоматы обратного тока, срабатывающие только при изменении направления тока в защищаемой цепи;

· Поляризованные автоматы отключают цепь только при нарастании тока в прямом направлении, неполяризованные - при любом направлении тока.

Критерий выбора автоматических выключателей

Основными показателями на которые ссылаются при выборе автоматов являются:

Количество полюсов;

Номинальное напряжение;

Максимальный рабочий ток;

Отключающая способность (ток короткого замыкания).

Количество полюсов

Количество полюсов автомата определяется из числа фаз сети. Для установки в однофазной сети используют однополюсные или двухполюсные. Для трехфазной сети применяют трех- и четырехполюсные (сети с системой заземления нейтрали TN-S). В бытовых секторах обычно используют одно- или двухполюсные автоматы.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение автомата это напряжение на которое рассчитан сам автомат. Не зависимо от места установки напряжение автомата должно быть равным или большим номинальному напряжению сети :

Максимальный рабочий ток

Максимальный рабочий ток. Выбор автоматов по максимальному рабочему току заключается в том чтобы номинальный ток автомата (номинальный ток расцепителя) был больше или равен максимальному рабочему (расчетному) току который может длительно проходить по защищаемому участку цепи с учетом возможных перегрузок:

Чтобы узнать максимальный рабочий ток для участка сети (например для квартиры) нужно найти суммарную мощность. Для этого суммируем мощность всех приборов, которые будут подключатся через данный автомат (холодильник, телевизор, св-печь и т.п.).Величину тока из полученной мощности можно найти двумя способами: методом сопоставления или по формуле.

Для сети 220 В при нагрузке в 1 кВт, ток составляет 5 А. В сети с напряжением 380 В величина тока для 1 кВт мощности составляет 3 А. С помощью такого варианта сопоставления можно найти ток через известную мощность. К примеру, суммарная мощность в квартире получилась 4.6 кВт, ток при этом равен примерно 23 А. Для более точного нахождения тока можно воспользоваться известной формулой:

Для бытовых электроприборов .

Отключающая способность

Отключающая способность. Выбор автомата по номинальному току отключения сводится к тому, чтобы ток который автомат способен отключить был больше тока короткого замыкания в точке установки аппарата: Номинальный ток отключения это наибольший ток к.з. который автомат способен отключить при номинальном напряжении.

При выборе автоматов промышленного назначения их дополнительно проверяют на:

Электродинамическую стойкость:

Термическую стойкость:

Автоматические выключатели выпускаются с такой шкалой номинальных токов: 4, 6, 10, 16, 25, 32, 40, 63, 100 и 160 А.

Конструкция

Особенности конструкции и принцип действия автомата определяются его назначением и сферой применения.

Включение и выключение автомата может производиться вручную, электродвигательным или электромагнитным приводом.

Ручной привод применяется при номинальных токах до 1000 А и обеспечивает гарантируемую предельную коммутационную способность вне зависимости от скорости движения включающей рукоятки (оператор должен производить операцию включения решительно: начав - доводить до конца).

Электромагнитный и электродвигательный приводы питаются от источников напряжения. Схема управления привода должна иметь защиту от повторного включения на короткозамкнутую цепь, при этом процесс включения автомата на предельные токи короткого замыкания должен прекратиться при напряжении питания 85 - 110% от номинального.

При перегрузках и токах короткого замыкания отключение выключателя производится независимо от того, удерживается ли рукоятка управления во включенном положении.

Важной составной частью автомата является расцепитель, который контролирует заданный параметр защищаемой цепи и воздействует на расцепляющее устройство, отключающее автомат. Кроме того, расцепитель позволяет производить дистанционное отключение автомата. Наиболее широкое распространение получили расцепители следующих типов:

· электромагнитные для защиты от токов короткого замыкания;

· тепловые для защиты от перегрузок;

· комбинированные;

· полупроводниковые, обладающие большой стабильностью параметров срабатывания и удобством в настройке.

Для коммутации цепи без тока или для редких коммутаций номинального тока могут применяться автоматы без расцепителей.

Выпускаемые промышленностью серии автоматических выключателей рассчитаны на применение в различных климатических поясах, размещение в местах с разными условиями эксплуатации, на работу в условиях, различных по механическим воздействиям и по взрывоопасности среды, и обладают разной степенью защиты от прикосновения и от внешних воздействий.

Информация о конкретных типах аппаратов, их типоисполнениях и типоразмерах приведена в нормативно-технических документах. Как правило, таким документом являют ся Технические условия (ТУ) завода. В некоторых случаях с целью унификации для изделий, имеющих широкое применение и производимых несколькими предприятиями, уровень документа повышается (иногда до уровня Государственного стандарта).

1. Верхняя клемма для подключения;

2. Неподвижный силовой контакт;

3. Подвижный силовой контакт;

4. Дугогасительная камера;

5. Гибкий проводник;

6. Электромагнитный расцепитель (катушка с сердечником);

7. Ручка для управления;

8. Тепловой расцепитель (биметаллическая пластина);

9. Винт для регулировки теплового расцепителя;

10. Нижняя клемма для подключения;

11. Отверстие для выхода газов (которые образовываются при горении дуги).

Электромагнитный расцепитель

Функциональное назначение электромагнитного расцепителя - обеспечение практически мгновенного срабатывания автоматического выключателя при возникновении в защищаемой цепи короткого замыкания. В этой ситуации в элек
трических цепях возникают токи, величина которых в тысячи раз превышают номинальное значение этого параметра.

Время срабатывания автомата определяется по его времятоковым характеристикам (зависимость времени срабатывания автомата от величины тока), которые обозначаются индексами А, В или C (наиболее распространенные).

Тип характеристики обозначен в параметре номинального тока на корпусе автомата, например, С16. Для приведенных характеристик время срабатывания находится в пределах от сотых до тысячных долей секунды.

Конструкция электромагнитного расцепителя представляет собой соленоид с подпружиненным сердечником, который связан с подвижным силовым контактом.

Электрически катушка соленоида включена последовательно в цепочку, состоящую из силовых контактов и теплового расцепителя. При включенном автомате и номинальном значении тока, через катушку соленоида протекает ток, однако, величина магнитного потока мала для втягивания сердечника. Силовые контакты замкнуты и это обеспечивает нормальное функционирование защищаемой установки.

При коротком замыкании резкое увеличение тока в соленоиде приводит к пропорциональному увеличению магнитного потока, способного преодолеть действие пружины и переместить сердечник и связанный с ним подвижный кон такт. Перемещение сердечника вызывает размыкание силовых контактов и обесточивание защищаемой линии.

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель выполняет функцию защиты при небольшом, но действующим в течении относительно длительного промежутка времени, превышении допустимого значения тока.

Тепловой расцепитель – расцепитель замедленного действия, он не реагирует на кратковременные броски тока. Время срабатывания этого вида защиты регламентируется также время-токовыми характеристиками.

Инерционность теплового расцепителя позволяет реализовать функцию защиты сети от перегрузки. Конструктивно тепловой расцепитель представляет консольно закрепленную в корпусе биметаллическую пластину, свободный конец которой через рычаг взаимодействует с механизмом расцепления.

Электрически биметаллическая пластина включена последовательно с катушкой электромагнитного расцепителя. При включенном автомате в последовательной цепочке протекает ток, нагревая биметаллическую пластину. Это приводит к перемещению ее свободного конца в непосредственную близость к рычагу механизма расцепления.

При достижении значений тока, указанных во временно-токовых характеристиках и по истечении определенного времени пластина нагреваясь изгибается, контактирует с рычагом. Последний через механизм расцепления размыкает силовые контакты - сеть оказывается защищенной от перегрузки.

Регулировка тока срабатывания теплового расцепителя с помощью винта 9 производится в процессе сборки. Так как большинство автоматов модульные и их механизмы запаяны в корпусе простому электрику нет возможности произвести такую регулировку.