Невозможно обойтись без защитных аппаратов. В любом распределительном щите обязательно устанавливают вводной автомат и несколько дополнительных на освещение, розетки и другие группы проводов. Далее мы рассмотрим устройство, назначение и принцип действия автоматического выключателя.
Назначение
Прежде всего, разберемся с тем, что такое автоматический выключатель (АВ). Автомат представляет собой защитный аппарат, отключающий электроэнергию на определенном участке проводки по следующим причинам:
- перегрузка сети;
- скачки напряжения.
Помимо этого данное устройство может использоваться для того, чтобы «снять» напряжение на определенном участке электропроводки путем оперативного отключения (мероприятие проводиться крайне редко). Простыми словами, назначение автоматического выключателя заключается в защите электроприборов при выходе проводки из строя.
Что касается области применения автоматов, она возможна как в бытовых условиях (защита домов и квартир), так и на промышленных предприятиях. Автоматические выключатели применяются во всех сферах электроэнергетики.
К вашему вниманию видео урок, в котором находиться полное объяснение того, что такое автоматический выключатель и какой у него принцип действия:
Обзор существующих изделий
Конструкция
На сегодняшний день существует множество различных изделий для отключения тока в сети. Каждый из аппаратов имеет свою специфическую конструкцию, поэтому в данной статье мы рассмотрим пример с модульным автоматом.
Итак, устройство автоматического выключателя состоит из четырех основных частей:
- Система контактов (подвижный и неподвижный). Подвижный контакт соединен с рычагом управления, а неподвижный установлен в самом корпусе. Отключение электроэнергии происходит путем выталкивания подвижного контакта пружиной, после чего размыкается сеть.
- Тепловой (электромагнитный) расцепитель. Элемент, с помощью которого и размыкаются контакты. Тепловой расцепитель – это биметаллическая пластина, которая изгибаясь, размыкает контакты. Изгибание происходит вследствие нагревания током (если его значение превышает номинальное). Такое расцепление происходит при повышенных нагрузках на линию электропередач. Действие магнитного расцепителя является мгновенным, вследствие возникновения короткого замыкания. Сверхток провоцирует движение сердечника соленоида, который приводит в действие механизм расцепления контактов.
- Система дугогашения. Данная часть автомата представлена двумя пластинами из металла, которые нейтрализуют электрическую дугу. Последняя возникает тогда, когда осуществляется разрыв цепи.
- Механизм управления. Для ручного отключения используется специальный механический рычаг либо кнопка (в других типах АВ).
Также предоставляем к Вашему вниманию более подробную конструкцию автоматического выключателя:
В данном видео примере наглядно предоставлена конструкция и принцип действия автомата:
Подробный принцип действия
Технические характеристики
Любой автоматический выключатель имеет свои индивидуальные характеристики, по которым мы и осуществляем выбор подходящей модели.
Основными техническими характеристиками автоматического выключателя являются:
- Номинальное напряжение (Uн). Данная величина устанавливается производителем и указывается на передней панели аппарата.
- Номинальный ток (Iн). Также устанавливается заводом и представляет собой максимальное значение тока, при котором защита не будет срабатывать.
- Номинальный рабочий ток расцепителя (Ipн). При увеличении тока в сети до значений 1,05*Iрн либо 1,2*Iрн некоторое время срабатывание не будет происходить. Данная величина обязательно должна быть ниже номинального тока.
- Время срабатывания при коротком замыкании (КЗ). При возникновении КЗ автомат выключается после определенного времени прохождения данного тока через аппарат (время срабатывания). Также устанавливается заводом изготовителем.
- Предельная коммутационная способность автоматического выключателя. Значение проходящих токов короткого замыкания, при которых устройство еще может нормально функционировать.
- Уставка по току срабатывания. При превышении данного значения аппарат моментально срабатывает и разъединяет цепь. Тут изделия делятся на 3 типа: B, C, D. Первый тип используется при монтаже длинной линии электропередач, диапазон срабатывания 3-5 номинальный рабочих токов расцепителя (Iрн). Устройство типа С работает в диапазоне 5-10 значений и используется в осветительных цепях. Тип D применяют для защиты трансформаторов и электродвигателей. Его диапазон работы составляет от 10 до 20 Iрн.
Общая классификация
Также хотелось бы предоставить Вам наиболее обобщенную классификацию автоматических выключателей для дома. На сегодняшний день изделия принято разделять по следующим признакам:
Несмотря на многообразие типов автоматических выключателей (автоматов), многие работают по схожим принципам и построены на базе стандартного набора функциональных элементов. В связи с широким применением автоматов модульного типа (особенно, в бытовых и низковольтных электросетях), изучать работу автоматического выключателя резонно на их примере. В качестве подопытного образца будет выступать недорогого однополюсный автомат марки ДЭК типа ВА-101-1 C3.
Автомат модульного типа внешне представляет собой стандартизированный по габаритам аппарат в пластмассовом корпусе, имеющий две или более входных клемм (в зависимости от количества полюсов) для подключения питания с одной стороны (обычно, сверху) и подсоединения нагрузки с другой (снизу). На передней панели автомата находится рычаг управления, с помощью которого осуществляется включение и отключение автомата (нагрузки) вручную. По бокам корпуса имеются технологические отверстия для установки дополнительных устройств, например, контактов состояния автомата, независимого расцепителя и некоторых других. Сверху автомат имеет отверстия для доступа к регулировочному винту теплового расцепителя и выхода продуктов горения дугового разряда. Монтаж (крепление) модульного автомата в электрошкафу осуществляется на так называемую DIN-рейку - металлический или пластмассовый профиль определенной формы.
Крепление автомата на DIN-Рейку и снятие в неё.
Окна для подсоединений дополнительных устройств к автомату.
Автомат ДЭК. Вид сверху.
1 - отверстие выхода продуктов горения дуги; 2 - отверстие с регулировочным винтом теплового расцепителя.
В электрическую цепь автомат подключается последовательно - в разрыв цепи питания нагрузки (потребителей). Принцип действия автоматического выключателя состоит в контроле силы электрического тока через автомат и, в случае необходимости, разрыве цепи (отключении нагрузки) с той или иной скоростью (задержкой), начиная с момента превышения тока и в зависимости от «серьезности» (кратности) этого превышения.
Схема подключения однополюсного автомата в цепь питания лампы накаливания.
Корпус модульного автомата, в большинстве случаев, неразборный. Для его вскрытия, с целью изучения, потребуется удалить (высверлить и извлечь) все заклепки и разделить корпус на две части. Элементы корпуса выполнены из пластмассы, не поддерживающей горение, с достаточной (расчетной) электроизоляционной способностью. С внутренней стороны полукорпусов имеются пазы и направляющие для установки функциональных элементов автомата.
Процесс вскрытия автомата.
Автоматический выключатель ДЭК внутри.
Автомат полностью разобран.
Устройство автоматического выключателя с подписями его функциональных элементов.
Механизм взвода и расцепления - механическая система из пружин и рычажков, выполняющая две основные функции: удержание контактов в сомкнутом состоянии при штатном режиме работы, и, при возникновении аварийной ситуации, по командам расцепителей или оператора (ручное отключение) быстро отвести подвижный контакт от неподвижного.
Автомат включен, механизм взведен.
Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит с подвижным сердечником (якорем), который работает как толкатель. Когда ток через обмотку достигает определенного значения, якорь надавливает на рычажок спускового механизма, что приводит к его срабатыванию и отключению нагрузки. Число витков катушки и сечение обмоточной проволоки электромагнита рассчитано так, чтобы срабатывать только при относительно больших превышениях номинального тока автомата (например, при коротком замыкании), а так же чтобы выдерживать такие превышения неоднократно.
Нижняя клемма, катушка электромагнитного расцепителя и биметаллическая пластина соединены сваркой.
Якорь электромагнитного расцепителя в собранном (слева) и разобранном (справа) виде.
При движении якоря вниз в направлении красной стрелки, курок спускового механизма выходит из зацепления (красный кружок).
При движении якоря вниз, он увлекает за собой подвижный контакт, чем помогает механизму расцепления развести контакты.
Тепловой расцепитель - , изгибающаяся в определенную сторону при нагреве в результате прохождения тока через специальный проводник повышенного сопротивления, намотанный поверх неё (биметаллическая пластина косвенного нагрева). При определенном угле изгиба пластины, её кончик надавливает на рычажок спискового механизма - автомат отключается. В отличие от электромагнитного расцепителя, тепловой расцепитель более медлителен и не способен срабатывать за доли секунды, однако, он более точен и поддается тонкой настройке.
При изгибании кончика биметаллической пластины в направлении красной стрелки, курок спускового механизма выходит из зацепления (красный кружок).
Дугогасительная камера , имеющаяся в устройстве автоматического выключателя, обеспечивает быстрое гашение дугового разряда, который может образовываться при размыкании контактов. Она представляет собой набор металлических пластин, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга. Попадая на пластины, дуга разделяется, завлекается внутрь дугогасительной камеры и тухнет. Продукты горения дуги и избыточное давление сбрасываются наружу через специальный канал в корпусе автомата.
Автоматический выключатель устроен и работает по принципу постоянного слежения за силой электрического тока, использует сразу два детектора-расцепителя: электромагнитный и тепловой. Первый обладает высокой скоростью реакции, которая необходима для защиты от быстрорастущих сверхтоков, вторая - точностью и определенной задержкой в срабатывании, что позволяет исключить ложные отключения нагрузки при кратковременном и небольшом превышении силы тока.
Как работает автоматический выключатель
Нормальный рабочий режим автомата при номинальном или низком токе. Рабочий ток проходит по верхней клемме автомата, через подвесной контакт, по катушке электромагнитного расцепителя, затем проходит тепловой механизм расцепителя и нижнюю клемму автомата. При размерах тока превышающих номинал, срабатывает электромагнитная или тепловая защита.
Разновидности автоматических выключателей
С целью защиты от перегрузки по току в автомате используется тепловой расцепитель как защита от перегрузки, — это биметаллическая узкая полоса пластины собранная из двух типов сплавов, имеющих разные коэффициенты температурного расширения.
Составная биметаллическая пластина нагревается протекающим током и выгибается в сторону металла с маленьким расширением. Когда ток больше номинальной величины, то со временем пластина выгибается настолько, что этого изгиба хватает для реагирования тепловой защиты. Время, при котором среагирует расцепитель, зависит от степени превышения относительно номинального тока.
При значительном увеличении от номинала тока, тепловая защита отключит автомат быстрее, чем при малом превышении от номинала. Второй тип защиты автомата срабатывает на короткое замыкание в нагрузке – это электромагнитный расцепитель. Он состоит из медной катушки с металлическим сердечником. Относительно величины проходящего тока растет и электромагнитное поля катушки, которое намагничивает стальной сердечник.
Демонстрация механизмов автомата
Намагниченный сердечник притягивается, преодолевая усилие удерживающей его пружины, толкает механизм электромагнитной защиты и разрывает контакты. Номинального тока и тока немного выше не хватает для намагниченности сердечника, чтобы сработал механизм расцепителя. А ток короткого замыкания создает намагниченность сердечника достаточную для отключения автомата за сотые доли секунды или даже меньше.
Защита автомата при разных перегрузках
Механизм теплового расцепителя не сработает при небольшом и недолгом токе выше номинального. При большой продолжительности тока больше номинального сработает тепловой расцепитель. Время, отключения автомата тепловой защитой, может доходить до часу.
Механизмы автоматического выключателя
Временная задержка позволяет не отключать автоматы при значительных пусковых токах двигателя и кратковременных бросках тока. тепловых расцепителей зависит также от окружающей температуры. При повышенных температурах тепловая защита отработает быстрее, чем на холоде.
Вызвать перегрузку можно включением нескольких бытовых приборов — это чайник, стиральная машина, кондиционер, электроплита. При перегрузке автомат отключается, но сразу включить его невозможно, нужно ждать, чтобы остыла биметаллическая пластина.
Работа автомата при коротком замыкании
Большие токи короткого замыкания могут оплавить электропроводку или сжечь изоляцию. Чтобы сохранить электропроводку, используют электромагнитный расцепитель . При коротких замыканиях механика электромагнитного расцепителя срабатывает мгновенно, защищая электропроводку, и она не успевает нагреться.
Однако во время размыкания контактов появляется электрическая дуга с огромной температурой. Для защиты от обгорания контактов, разрушения корпуса предназначена дугогасительная камера. Конструктивно камера состоит из элемента с набором медных тонких пластин с небольшим зазором.
Электромагнитная и тепловая защита автоматического выключателя
Электрическая дуга касаясь набора пластин через медный провод соединенного с контактом, рассыпается на части, остывает и исчезает. При коротком замыкании образуются газы, которые выходят через отверстия в камере. Для повторного включения автомата, нужно устранить причину короткого замыкания, или автомат опять выбъет.
Виновника короткого замыкания можно определить последовательным выключением бытовых электроприборов. Но если после отключения всех приборов короткое замыкание не исчезает, то большая вероятность его происхождения в электропроводке. Состояние короткого замыкания могут вызвать электроосветительные приборы, которые также необходимо отключать.
Автоматические выключатели – это устройства, которые предназначаются для защитного отключения цепей постоянного и переменного тока в случаях короткого замыкания, токовой перегрузки, снижения напряжения или его исчезновения. В отличии от плавких предохранителей автоматические выключатели имеют более точный ток отключения, могут многократно использоваться, а также при трехфазном исполнении при срабатывании предохранителя какая – то из фаз (одна либо две) могут остаться под напряжением, что является тоже аварийным режимом работы (особенно при питании трехфазных электродвигателей).
Автоматические выключатели классифицируют по выполняемым функциям, таким как:
- Автоматы минимального и максимального тока;
- Автоматы минимального напряжения;
- Обратной мощности;
Мы рассмотрим принцип действия автоматического выключателя на примере автомата максимального тока. Его схема показана ниже:
Где: 1 – электромагнит, 2 – якорь, 3, 7 – пружины, 4 – ось, по которой движется якорь, 5 – защелка, 6 – рычаг, 8 – силовой контакт.
При протекании номинального тока система работает нормально. Как только ток превысит допустимое значение уставки, последовательно включенный в цепь электромагнит 1, преодолеет усилие сдерживающей пружины 3 и втянет якорь 2, и провернувшись через ось 4 защелка 5 освободит рычаг 6. Тогда отключающая пружина 7 разомкнет силовые контакты 8. Такой автомат включается вручную.
В настоящее время созданы автоматы, которые имеют время отключения от 0,02 – 0,007 с на токи отключения 3000 – 5000 А.
Конструкции автоматических выключателей
Существует довольно много различных конструкций автоматических выключателей как цепей переменного, так и цепей постоянного тока. В последнее время очень широкое распространение получили автоматы малогабаритные, которые предназначаются для защиты от КЗ и токовых перегрузок сетей бытовых и производственных в установках на токи до 50 А и напряжением до 380 В.
Главным защитным средством в таких выключателях являются биметаллические или электромагнитные элементы, срабатывающие с определенной выдержкой времени при нагревании. Автоматы, в которых присутствует электромагнит, обладают довольно большим быстродействием, и этот фактор очень важен при коротких замыканиях.
Ниже показан пробочный автомат на ток 6 А и напряжением не превышающим 250 В:
Где: 1 – электромагнит, 2 –пластина биметаллическая, 3, 4 – кнопки включения и выключения соответственно, 5 – расцепитель.
Биметаллическую пластину, как и электромагнит, включают в цепь последовательно. Если через автоматический выключатель протекает ток выше номинального, пластина начинает нагреваться. При длительном протекании превышающего тока пластина 2 деформируется в следствии нагрева, и воздействует на механизм расцепителя 5. При возникновении в цепи короткого замыкания электромагнит 1, мгновенно втянет сердечник и этим тоже воздействует на расцепитель, который разомкнет цепь. Также данный тип автомата отключается вручную путем нажатия кнопки 4, а включение только ручное путем нажатия кнопки 3. Механизм расцепления выполняется в виде ломающегося рычага или защелки. Принципиальная электрическая схема автомата показана ниже:
Где: 1 – электромагнит, 2 – биметаллическая пластина.
Принцип действия трехфазных автоматических выключателей практически ничем не отличается от однофазных. Трехфазные выключатели снабжаются специальными дугогасительными камерами или катушками, в зависимости от мощности устройств.
Ниже приведено видео подробно описывающее работу автоматического выключателя:
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.
Устройство автоматического выключателя
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.
Состав и устройство АВ
В состав большинства автоматических выключателей входят:
- механизм ручного управления (используется для ручного включения и выключения автомата);
- коммутирующее устройство (набор подвижных и неподвижных контактов);
- дугогасительные устройства (решетка из стальных пластин);
- расцепители.
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.
Параметры АВ
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:
- A Преимущественно для защиты электронных схем и цепей большой протяжённости;
- B Для обычных осветительных цепей;
- C Для цепей с умеренными пусковыми токами (двигатели н трансформаторы бытовых приборов);
- D Для цепей с большой индуктивной нагрузкой, для промышленных электродвигателей;
- K Для индуктивных нагрузок;
- Z Для электронных устройств.
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.
