Как работает автоматический выключатель

Автоматическим выключателем называется контактный коммутационный аппарат, который способен включать токи, проводить их и отключать при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного (заданного) времени и автоматически отключать токи при нормированных ненормальных условиях в цепи, таких как короткое замыкание. Имеется в виду как механический, так и электронный тип аппарата.

По принципу работы автомат напоминает обыкновенный выключатель для света. Если он включен, то через его клеммы проходит электрический ток и в помещении есть напряжение. Если автомат выключен, то ток не проходит и, соответственно, здание или территория обесточена.

Принцип работы автоматического выключателя позволяет использовать это устройство для защиты проводки, а так же для коммутации сетей в нормальных и аварийных ситуациях.

Главная миссия автоматического выключателя – защитить электрическую проводку в аварийных ситуациях.

Необходимость в отключении электропитания возникает, если провода работают с превышением допустимого током, что вызывает перегрев изоляции и опасность пожара.

Для того, чтобы этот пожар предотвратить, и срабатывает автоматический выключатель. Это отключает электричество во всём доме или в отдельной линии.

Важно помнить, что отключение электроэнергии происходит не обязательно из-за большого количества включённых приборов.

Такое явление вызывает повышенная сила электротока, предельно допустимый уровень которого определяется сечением проводов и кабелей.

Поэтому, если автоматический выключатель срабатывает, это является признаком наличия проблем с электропроводкой.

Для определения причины отключения необходимо понимать, как работает автоматический выключатель.

1. В режиме перегруза электропроводки

В этом режиме отключение производит тепловой расцепитель, основной частью которого является биметаллическая пластина. Электрический ток проходит через нагревательный элемент. Малые токи слабо нагревают ленту, поэтому она не отключается.

Сильный ток нагревает биметаллическую пластину, и её слои увеличиваются в длину по-разному. Полоска изгибается, и воздействует на механизм который отключает автомат.

Тепловая защита выключает питание только при превышении силы тока над номинальной. Время срабатывания защиты зависит от силы тока обратно-пропорционально силе тока

2. В режиме короткого замыкания

Главным элементом максимальной защиты является соленоид с подвижным подпружиненным сердечником.

Питающий провод подключается к верхней и нижней клеммам автомата.

Когда рукоятка выключателя установлена в положение «включено», ток проходит от верхней клеммы через подвижный и неподвижный контакты к катушке электромагнита и нижней клемме.

Электрический ток, проходя через автомат, намагничивает электромагнит и увеличение силы тока увеличивает притягивающую силу магнита.

Когда ток достигает опасного уровня, притяжение электромагнита становится достаточным, чтобы притянуть сердечник, соединенный с механизмом отключения автомата.

Процесс срабатывания защиты происходит практически мгновенно из-за высокой скорости, с которой возникает электромагнитная индукция.

Далее – разберём всё это более подробно.

Об истории изобретения

Автомат защиты линии был изобретён американским учёным Чарлзом Графтоном Пэйджем в 1836 году. Первое коммерческое применение автоматического выключателя – заслуга Томаса Эдисона. Он описал аппарат в 1879 году, в то время как его коммерческая система электроснабжения использовала плавкие предохранители. Конструкция автоматических выключателей в их современном виде была запатентована в 1924 году швейцарской компанией Brown, Boveri & Cie.

Чарлз Графтон Пэйдж

Автоматический выключатель, рассчитанный на небольшие токи, в настоящее время чаще всего имеет модульную конструкцию, которая предназначена для крепления на DIN-рейку.

Основные механизмы. Автоматический выключатель состоит из контактной группы, механизма привода, системы гашения дуги, электромагнитного и теплового расцепителей и корпуса.

Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя состоит из катушки с подвижной центральной частью. Одной из основных деталей электромагнита является изолированный провод, который наматывается на катушку.

Предназначение в электрической цепи и причины срабатывания автоматического выключателя

Автоматические выключатели предназначаются для защиты электрической цепи от перегрузок и токов короткого замыкания. Главное отличие от плавкой вставки – это возможность многократного использования и стабильность заданного порогового значения (уставки) срабатывания.

Причины срабатывания автоматического выключателя имеются две. Это короткое замыкание; либо перегрузка по току.

Короткое замыкание возникает, когда между фазным и нулевым проводниками появляется электрический контакт. Например, если в розетку каким-то образом попал короткозамкнутый провод.

При коротком замыкании ток в электропроводке достигает величин в сотни ампер. Это приводит к срабатыванию электромагнитного расцепителя автоматического выключателя. Этот вид защиты срабатывает мгновенно. Поэтому при коротком замыкании напряжение отключится без задержки по времени.

Перегрузка по току – это ещё более распространённое явление, чем короткое замыкание. Оно возникает, когда в розетки включается слишком большое количество мощных энергоёмких электрических приборов.

Это происходит и в зимний период, когда люди хотят согреться и подключают к бытовой сети электрические обогреватели, и в летний, когда перегрузку устраивают кондиционеры.

Виды и классификация автоматических выключателей

ГОСТом 9098-78 устанавливается следующая классификация автоматических выключателей:

• по роду электротока в главной цепи: постоянного; переменного; постоянного и переменного тока;
• по конструкции: воздушный автоматический выключатель (англ. Air Circuit Breaker, сокращенно АСВ) от 800 до 6300 Ампер, выключатель в литом корпусе (с англ. — «МССВ») от 10 до 2500 Ампер, модульные автоматические выключатели (с англ. — «МСВ») от 0,5 до 125 Ампер;
• по количеству полюсов в главной цепи: одно-; двух-; трёх-; или четырёхполюсной;
• по наличию токоограничения: токоограничивающие или нетокоограничивающие;
• по видам расцепителей: с максимальным расцепителем электротока; с независимым расцепителем; с минимальным или нулевым расцепителем напряжения;
• по характеристике выдержки времени максимальных расцепителей тока: без выдержки времени; с выдержкой времени, независимой от тока; с выдержкой времени, обратно зависимой от тока; с сочетанием данных характеристик;
  

  воздушный автоматический выключатель (АСВ)

• по наличию свободных контактов («блок-контактов») для вторичных цепей: с контактами; либо без контактов;
• по способу присоединения внешних проводников: с задним присоединением; с передним присоединением; с комбинированным присоединением (верхние зажимы с задним присоединением, а нижние — с передним присоединением, либо наоборот); с универсальным присоединением (и передним, и задним);
• по виду установки: выкатные с втычными контактами; или же стационарные;
• по виду исполнения отсечки: селективные, или неселективные;
• по виду привода: с ручным; с двигательным; с пружинным;
• по наличию и степени защиты выключателя от воздействия окружающей среды и от соприкосновения с находящимися под напряжением частями выключателя и его движущимися частями, расположенными внутри оболочки (в соответствии с требованиями ГОСТа 14255).

Селективный автоматический выключатель

Согласно стандартам Советского Союза и Российской Федерации, селективными автоматическими выключателями называются автоматические выключатели с выдержкой времени (0,25—0,6 сек.) при токовой отсечке. Такие выключатели, в сочетании с выключателями с мгновенной отсечкой на нижней ступени, позволяют строить селективное срабатывание при коротком замыкании.

Автоматические выключатели селективные (англ. Selective Main Circuit Breaker) в соответствии с европейским стандартом DIN VDE 0641-21 также имеют функцию селективности, но осуществляют её другим способом.

Особенности устройства

Автоматические выключатели бывают одно-, двух-, трёх- или четырёхполюсными и имеют следующие конструктивные узлы: главную контактную систему, дугогасительную систему, привод расцепляющего устройства, расцепитель (прерыватель,прерыватели), вспомогательные контакты (не в каждом устройстве).

Контактная система может быть трёхступенчатой (с главными, промежуточными и дугогасительными контактами), двухступенчатой (с главными и дугогасительными контактами) и одноступенчатой (при использовании металлокерамики).

Дугогасительная система может состоять из камер с узкими щелями или из камер с дугогасительными решётками. Комбинированные дугогасительные устройства — это щелевые камеры в сочетании с дугогасительной решёткой. Их применяют для гашения дуги при больших электротоках.

Для любого из автоматических выключателей существует предельный ток короткого замыкания, который гарантированно не приведёт к выводу автомата из строя. Превышение этого электротока может спровоцировать подгорание либо сваривание контактов.

К примеру, у популярных серий бытовых автоматов при токе срабатывания 6-50 Ампер предельный ток обычно составляет 1000—10 000 Ампер.

Автоматические выключатели изготавливаются с ручным или двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.

Привод автоматического выключателя служит для включения, автоматического отключения. Он может быть ручным непосредственного воздействия, либо дистанционным (электромагнитным, пневматическим и тому подобным).

Автоматические выключатели оборудованы  реле прямого действия, называемыми прерывателями.

Расцепители

Расцепителями (прерывателями) называются электромагнитные, электронные, микропроцессорные или термобиметаллические элементы, предназначенные для отключения автоматического выключателя через механизм свободного расцепления при коротком замыкании, перегрузках и исчезновении напряжения в первичной электроцепи (непосредственно: электромагнитные и термобиметаллические элементы; либо косвенно через отдельный независимый электромагнитный расцепитель: электронные и микропроцессорные).

В составе механизма свободного расцепления – рычаги, защёлки, коромысла и отключающие пружины. Он предназначен для мгновенного отключения автоматического выключателя (вне зависимости от положения органа включения: невозможность удержания автоматического выключателя во включённом положении при срабатывании расцепителя), а также для устранения повторного включения автоматического выключателя на короткое замыкание при длительно существующей команде на включение.

Электромагнитный расцепитель (отсечка)

Расцепитель мгновенного действия представляет собою соленоид , подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Электроток, проходящий через выключатель, протекает по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога электротока.

Мгновенный расцепитель, в отличие от расцепителя теплового, срабатывает очень быстро (за считанные доли секунды), однако при значительно большем превышении тока: в 2÷10 раз от номинала, в зависимости от вида (автоматические выключатели делятся на типы (классы) A, B, C и D – в зависимости от чувствительности мгновенного расцепителя).

В автоматических выключателях на большие токи начиная с 70-х годов начали использоваться электронные расцепители (к примеру, отечественные автоматические выключатели серии «Электрон», некоторые типы автоматов серий А-37, ВА), а в последнее время — и расцепители микропроцессорные (микропроцессорные блоки защиты).

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель представляет собою биметаллическую пластину, которая нагревается от протекающего электротока. При протекании электротока выше допустимого значения, биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления.

Время срабатывания зависит от электротока (время-токовая характеристика) и может изменяться от секунд до часа. Минимальный электроток, при котором должен срабатывать тепловой расцепитель, составляет 1,45 от тока уставки теплового расцепителя.

Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель пригоден для последующего использования после остывания пластины.

Роль теплового расцепителя может выполнять электромагнитный (мгновенный) расцепитель, оснащённый гидравлическим замедлителем срабатывания. Такие автоматические выключатели отличаются пожаробезопасностью, так как не имеют в своей конструкции нагреваемого элемента (биметаллической пластины).

Биметаллическая пластина – это лента из 2-х металлических полосок с разными коэффициентами теплового расширения. В автоматическом выключателе она исполняет роль теплового расцепителя.

Две полосы не сплавлены между собой и обычно скреплены с одного конца пайкой или сваркой. Другие концы закреплены неподвижно. Биметаллическая пластина включена в цепь последовательно, под нагрузкой.

В результате её нагревания электрическим током, пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. В случае перегрузки изгиб пластины обеспечивает отключение автоматического выключателя.

Процесс отключения

Отключение может происходить без выдержки по времени, либо с выдержкой. По собственному времени отключения tс, о (промежуток от момента, когда контролируемый параметр превзошёл установленное для него значение, до момента начала расхождения контактов) различаются нормальные выключатели (tс, о = 0,02-1 с), выключатели с выдержкой времени (селективные) и быстродействующие выключатели (tс, о < 0,005 с).

Автоматические выключатели нормальные и селективные – токоограничивающим действием не обладают. Быстродействующие выключатели, также как и предохранители, обладают токоограничивающим действием, так как отключают цепь до того, как ток в ней достигнет значения Іу.

Селективные автоматические выключатели позволяют осуществить селективную защиту сетей при помощи установки автоматических выключателей с разными выдержками времени: наименьшей у потребителя и ступенчато возрастающей к источнику питания.

Типы (классы) по току мгновенного расцепления

Согласно ГОСТ Р 50345-2010 (п.5.3.5), бытовые автоматические выключатели переменного тока делятся на следующие типы (классы) по току мгновенного расцепления:

• тип B: свыше 3·In до 5·In включительно (где In — номинальный ток) (применяется для защиты линий освещения или линий имеющих большую протяженность);
• тип C: свыше 5·In до 10·In включительно (применяется для защиты розеточных групп или линий с потребителями с повышенными пусковыми токами);
• тип D: свыше 10·In до 20·In включительно (применяется для защит. трансформаторов или линий с потребителями с большими пусковыми токами)

Автоматические выключатели промышленные могут быть следующих типов:

• тип L: свыше 8·In;
• тип Z: свыше 4·In;
• тип K: свыше 12·In.

У европейских производителей есть ещё дополнительный тип A (свыше 2·In до 3·In).

Испытание автоматических выключателей

Характеристики выключателей проверяют в ходе типовых испытаний (стойкости маркировки; надёжности винтов, токопроводящих частей и соединений; надёжности выводов для внешних проводников; защиты от электроударов; электроизоляционных устройств; превышения температуры (28-суточное испытание); характеристики прерывания; механической и коммутационной износостойкости; короткого замыкания; стойкости против механических толчков и ударов; термостойкости; стойкости против аномального нагрева и огня; коррозийной  устойчивости).

Выбирая автомат для защиты, важно учесть два фактора:

тип электрической сети (однофазная или трехфазная); максимально допустимый ток в электропроводке.

Для защиты квартирной электропроводки с напряжением в 220 Вольт потребуются однофазные автоматические выключатели. Их проще всего найти в продаже. Однофазные автоматы имеют два клеммника для подключения электропроводки. Обычно они используются в качестве групповых. Это означает, что каждый выключатель защищает свою линию. Например, один автомат устанавливается на освещение. Другой – защищает розетки в одной комнате. А третий – в другой.

Трёхфазный автомат имеет шесть клемм для подключения проводов. На три верхних приходит питающее напряжение, а к трём нижним – подсоединяется потребитель.

Максимальный ток в электропроводке. Как правило, в бытовой электрической проводке используются автоматы с током срабатывания от 16 до 32 Ампер. Этих величин достаточно для большинства электроприборов, которые люди используют в квартирах.