Устройство и основные характеристики автоматических выключателей

Автоматические выключатели (АВ) стоят в каждом доме и практически вытеснили плавкие вставки, в быту именуемые «пробками». Их общее назначение известно всем, но иногда для правильного выбора прибора общих сведений недостаточно. В этой статье мы выясним, каким бывает автоматический выключатель, что у него внутри и как он работает.

Определение

Согласно определению автоматический выключатель — контактный коммутационный аппарат, способный включать токи, проводить их и отключать при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение заданного времени и автоматически отключать токи при нормированных ненормальных условиях в цепи.

выключатель автомат
Автоматический выключатель («автомат»)

Для чего нужен автоматический выключатель? Если говорить общедоступным языком:

  • позволяет вручную включить/отключить нагрузку;
  • самостоятельно размыкает цепь (отключается) при перегрузе или коротком замыкании в линии, в разрыв которой он установлен.

АВ – это защитно-коммутационное устройство. Но что и от чего оно защищает? Основное назначение автоматического выключателя (расцепителя) – защита линии от перегрузки при коротком замыкании или увеличении тока в ней при перегрузке. Дополнительно АВ защищает саму нагрузку от выхода из строя, если ток через нее возрос по тем или иным причинам. Скажем, из-за сильного повышения напряжения в линии или из-за сильного перекоса фаз.

к содержанию ↑

Устройство и принцип действия

Как устроен автомат? Посмотрим, что у него внутри.

Конструкция выключателя
Конструкция автоматического выключателя

На рисунке цифрами обозначены:

  • 1 – корпус;
  • 2 – механизм взвода и расцепления;
  • 3 – электромагнитный расцепитель;
  • 4 – рычаг ручного включения/отключения;
  • 5 – тепловой расцепитель;
  • 6 – регулировочный винт теплового расцепителя;
  • 7, 11 – клеммы подключения;
  • 8, 9 – силовые контакты;
  • 10 – дугогасительная камера.

Прежде чем выяснить, как работает автоматический выключатель, разберем назначение и принцип действия его основных узлов – электромагнитного расцепителя, теплового расцепителя, дугогасительной камеры, механизма взвода и расцепления.

Электромагнитный расцепитель

Быстро отключает автомат при коротком замыкании. Отличается стремительной (доли секунды) реакцией, но только на значительную (2-10 раз в зависимости от типа) перегрузку.

General Electric G61
Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя General Electric G61

Конструктивно представляет собой электромагнит (соленоид). При значительном токе соленоид втягивает якорь, воздействующий на механизм расцепления.

На незначительные, пусть и длительные перегрузки устройство не реагирует. Это исключает ложные срабатывания автомата на пусковые токи электродвигателей. Его назначение – защита от КЗ.

Тепловой расцепитель

Этот узел иногда называют «тепловой автоматический выключатель». Представляет собой биметаллическую пластину, жестко закрепленную одним концом. При протекании тока пластина изгибается и другим концом активирует механизм расцепления.

Устройство и основные характеристики автоматических выключателей
Биметаллический механизм автоматического выключателя General Electric G61

Время срабатывания биметаллического расцепителя больше, чем электромагнитного, поскольку на разогрев пластины требуется тем больше времени, чем меньший ток через нее протекает. Обычно время срабатывания теплового расцепителя – от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от тока, протекающего через биметаллическую пластину, и типа автоматического выключателя.

Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос эксперту
Основное назначение узла – защита от длительной, но незначительной перегрузки, при которой электромагнитный расцепитель не сработает. На кратковременные перегрузки расцепитель не среагирует, так как не успеет нагреться.

Механизм взвода и расцепления

При включении автомата механизм взводится, соединяет силовые контакты и автоматически блокируется механическим замком. При перегрузке, превышающей заданное значение, или при коротком замыкании соответствующий расцепитель открывает замок. Механизм под действием взведенной ранее пружины приводится в исходное состояние и размыкает силовые контакты.

Дугогаситель

Во время отключения автомата при коротком замыкании между его силовыми контактами возникает электрическая дуга. Задача дугогасителя – как можно быстрее ее погасить, чтобы контакты не были повреждены. Конструктивно дугогасительная камера представляет собой набор металлических  пластин, изолированных друг от друга.

Дугогасительная камера
Дугогасительная камера автоматического выключателя

При размыкании контактов образовавшаяся между ними дуга под действием собственного магнитного поля удлиняется, попадает в дугогасительную камеру. Там она быстро охлаждается и гаснет.

Как это работает

Посмотрим, как работает автоматический выключатель. Когда мы переводим ручку ручного включения/отключения, взводится механизм взвода и расцепления. Он замыкает силовые контакты и защелкивается подпружиненным замком. Ручка остается в верхнем положении. Автомат пропускает ток.

Пока этот ток не превышает номинальный (зависит от модели автоматического выключателя), ничего не меняется, поскольку электромагнитному расцепителю не хватает сил втянуть якорь, а биметаллическая пластина теплового расцепителя успевает охлаждаться естественным образом и практически не изгибается.

Если ток превышает номинальный, то биметаллическая пластина не успевает охлаждаться и постепенно нагревается, изгибается и нажимает на коромысло замка. Замок открывается,  механизм взвода и расцепления срабатывает и расключает силовые контакты. На фото ниже коромысло замка отмечено голубой линией, а сам замок обведен малиновым кружком.

Устройство и основные характеристики автоматических выключателей
Принцип работы механизма взвода и расцепления

При коротком замыкании на это же коромысло давит сердечник электромагнитного расцепителя. Автомат срабатывает, но гораздо быстрее. На фото выше красной полукруглой стрелкой отмечено направление движения коромысла при срабатывании электромагнитного расцепителя, а желтой – теплового.

В момент расключения электрическая дуга втягивается в дугогасительную камеру (на фото выше отмечена зеленой стрелкой) и гаснет.

Наглядно принцип работы автоматического выключателя описан в видеоролике, представленном ниже.

к содержанию ↑

Расшифровка обозначений на лицевой панели

С назначением, конструкцией разобрались, теперь рассмотрим маркировку – обозначения на корпусе прибора. Они указывают на характеристики устройства. Взглянем в «лицо» автоматическому выключателю.

Устройство и основные характеристики автоматических выключателей
Маркировка автоматического выключателя

На фото цифрами обозначены:

  1. – торговая марка, производитель;
  2. – номинальное рабочее напряжение и частота;
  3. – время-токовая характеристика;
  4. – номинальный рабочий ток;
  5. – наименование и серия;
  6. – максимально возможный ток;
  7. – класс токоограничения;
  8. – количество полюсов.

С первым, пятым и восьмым пунктами все ясно. Третий рассмотрим подробнее отдельно.

  • Номинальное рабочее напряжение и частота. Прибор должен работать в цепях только с таким напряжением и частотой.
  • Номинальный рабочий ток. Ток ниже указанного значения не вызовет срабатывания защиты.
  • Максимально возможный ток. Максимальный ток, при котором выключатель гарантированно отключится и не выгорит сам.

Класс токоограничения. Время между срабатыванием расцепителя и гашением дуги. Таких классов 3:

  • 3 класс – 3-5 миллисекунд;
  • 2 класс – 5-10 миллисекунд;
  • 1 класс – 10 миллисекунд и выше (может не указываться).
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос эксперту
На большинстве АВ приводится их принципиальная схема, тоже несущая полезную информацию. В таблице ниже видно, что перед нами автоматический выключатель (отмечен красной стрелкой), оснащенный электромагнитным (зеленая стрелка) и тепловым (синяя стрелка) расцепителями.
Электрические схемы
Электрические схемы автоматов с разным количеством полюсов
к содержанию ↑

Разновидности

Существует несколько видов автоматических выключателей для выполнения разных задач. Основной вид мы рассмотрели. Его назначение – защита от перегрузки и короткого замыкания. Теперь поговорим об автомате, защищающем от дифференциального тока. Это устройство дифференциального тока (УДТ).

Для справки. Дифференциальный ток (ДТ) – ток утечки, когда часть энергии «утекает» посторонними путями. При этом входящий ток становится больше выходящего.

Согласно определению УДТ – контактное коммутационное устройство, чтобы включать, проводить и отключать электрические токи при нормальных условиях эксплуатации и размыкать контакты, когда дифференциальный ток достигает заданного значения. Такие приборы делятся еще на 2 разновидности:

  • автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током (ВДТ);
  • автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током, со встроенной защитой от сверхтока (АВДТ).

Первая разновидность не контролирует величину тока, не защищает линию от перегрузки и коротких замыканий. Прибор лишь контролирует входящий и выходящий токи в линии. Если токи равны, то автомат включен. Как только появится разница выше заданной величины или утечка (зависит от модели ВДТ), автомат отключается.

четырехполюсный ВДТ
Этот четырехполюсный ВДТ выдержит ток до 40А и сработает при утечке более 30 мА

Приборы, срабатывающие при ДТ не менее 30 мА, защищают человека от поражения электрическим током. Автоматы, срабатывающие при больших токах, предотвращают пожар и повреждения линии.

АВДТ – это уже известный нам автоматический выключатель, защищающий от перегрузки и короткого замыкания, со встроенным устройством защиты от дифференциального тока. Так сказать, 2 в 1. Его назначение – защита от КЗ и перегрузки + от тока утечки.

АВДТ
Этот АВДТ сработает при токе более 40 А и ДТ более 30 мА

Обратите внимание на схему на корпусе прибора. На ней можно увидеть обозначения электромагнитного и теплового расцепителей.

Существует еще один вид автоматов, которые используются в промышленности. По сути, это обычный дистанционный выключатель с датчиком. Он превращается в автоматический, срабатывающий по любому параметру – превышение/понижение напряжения/тока, уход частоты, наличие помех, превышающих заданный уровень, и т. д.

к содержанию ↑

Время-токовые характеристики — что это такое и какими бывают

По определению время-токовая характеристика (ВТХ) отражает зависимость времени задержки отключения линии от величины протекающего через нее тока. Изображается в виде графика, отражающего совместную работу электромагнитного и теплового расцепителей автоматического выключателя. По оси Х графика откладывается кратность тока в цепи по отношению к номинальному току Iном, а по оси Y – время срабатывания автоматического выключателя в секундах и минутах.

Устройство и основные характеристики автоматических выключателей
Пример время-токовой характеристики

Для справки. Кратность тока указывает на то, во сколько раз ток в цепи превышает номинальный. К примеру, 1.5Iном говорит о том, что ток в цепи превышает номинальный в полтора раза. 6Iном – в 6 раз, и т. д.

Как видно из графика, этот гипотетический автомат ток в 3Iном считает током КЗ. В работу вступает автоматический расцепитель. Тепловой же при большем токе перестает быть полезным и не работает (точнее, не поспевает за электромагнитным). Таким образом, ВТХ теплового расцепителя отмечена синим (при таких токах электромагнитный не работает), а ВТХ электромагнитного – красным.

В нашем примере ВТХ имеет один график, на самом деле их приводят два. Второй для нашего автомата будет выглядеть следующим образом:

график ВТХ
Полный график ВТХ

С красным мы уже познакомились, а что такое синий? Он отображает работу так называемого холодного автоматического выключателя, который только что включили. Красный же отображает ВТХ, который проработал некоторое время. Его «кишки» уже достаточно прогрелись. Что касается дополнительного пунктирного синего участка, он относится автоматически к выключателям с номинальным током до 32 А. Если автомат мощнее, то этот участок в расчет не берется.

В общих чертах с понятием время-токовой характеристики мы познакомились. Во всяком случае, увидев график ВТХ, мы в обморок не упадем. Перейдем к характеристикам срабатывания автоматических выключателей. Если мы купим два АВ на разные номинальные токи, к примеру, на 16 и 25 А, и взглянем на их графики ВТХ, то будем удивлены – графики одинаковые. Почему?

Дело в том, что время-токовые характеристики зависят не от номинального тока, а от типа автоматического выключателя. Таких типов чуть ли не десяток, но в быту используются три – B, C, и D. Если мы купили автоматы одного типа (см. раздел «Расшифровка обозначения на лицевой панели»), то и ВТХ у них одинаковые.

С время-токовыми характеристиками все ясно. Осталось выяснить, зачем это нужно. Выбрали автомат на требуемый номинальный ток – и готово. Но не факт, что купленные по номинальному току автоматы будут правильно работать в конкретной сети. Предположим, что в качестве вводного мы поставили автоматический выключатель на 32 А с время-токовой характеристикой B, а в квартиру завели две линии, включив их через шестнадцатиамперные автоматы типа D.

По одной из линий произошло короткое замыкание, и у нас сработал более мощный, вводной автомат, обесточив и вторую линию. А 16-амперный, стоящий  по линии короткого замыкания, остался включенным. Почему? Взглянем на табличку зависимости тока отсечки (ток срабатывания электромагнитного расцепителя):

Тип автомата
Ток отсечки
B
3Iном – 5Iном
C
5Iном – 10Iном
D
10Iном – 20Iном

Очевидно, что ничего странного не произошло – ток отсечки по КЗ автомата на 25 А оказался меньше, чем 16-амперного. Вот и результат. То же самое может произойти и при перегрузке, поскольку от типа автомата зависит и ВТХ теплового расцепителя. Не была соблюдена селективность (последовательность срабатывания), и автоматические выключатели сработали в неправильном порядке.

На заметку. Что касается остальных типов K, Z, S и прочих используемых в промышленности, в основном все то, что было сказано выше, справедливо и для них. Единственное, их время-токовые характеристики нормируются другим документом – ГОСТ 50030.2 (для типов В, С , D это ГОСТ Р 50345-2010).

Вот и все на тему автоматических выключателей. Теперь вы знаете, как эти приборы устроены, чем отличаются друг от друга и для чего предназначены. Правильный выбор АВ – уже не проблема.

Предыдущая
ЭлектрикаВ каком году появилось электричество в России в домах
Следующая
ЭлектрикаИстория развития электричества — кто и в каком году его открыл

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Очень плохоПлохоНормальноХорошоОчень хорошо! (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
Лампа Эксперт
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector