Расцепитель тепловой автоматического выключателя

Автоматические выключатели — электроавтоматы, тепловые расцепители, электромагнитные расцепители, принцип работы

Подробности Опубликовано: 03.09.2014 14:35 Автор: Алексей Лукин (Prorab)

— Свет забрали!

Эту фразу хотя бы раз в жизни слышал каждый. И каждый знает, что означает она вовсе не апокалипсис, а то, что кина не будет, поскольку электричество кончилось. И каждый знает, что ответ на эту фразу обычно таков: «Наверно автомат выбило!» (как вариант – «пробки вылетели!»). И даже каждый знает, что в таком случае делать: пойти к электрощитку и пощёлкать тем самым автоматом вниз-вверх (если хорошо знаешь свой щиток, то своим, если нет – то ещё и с соседскими побалуешься), либо надавить на белую кнопку пробки, если красная торчит не так, как положено.

Но вот зачем нужен этот автомат, и почему он выбивается в самый неподходящий момент, когда идёт самая развязка серии или вот-вот будет пройден уровень (а бесперебойника нету, жаба задушила), чего он так бесит-то? Вот это уже знает не каждый. Значит, будем разбираться.

Для чего нужен автоматический выключатель

Автоматический выключатель, он же электроавтомат, он же просто автомат, нужен для защиты. Многие граждане кстати думают, что электроавтомат защищает всё что воткнуто в розетку, но это не так. Да, автоматический выключатель выполняет роль многоразового предохранителя (хоть внешне больше похож на тумблер), но предохраняет он не всё. Бытовые приборы автомат вообще никак не защищает, все микроволновки, телевизоры и прочие пылесосы ему как говорится, до лампочки. Как и сами лампочки. Автоматический выключатель защищает вашу электропроводку, а следовательно, и квартиру от пожара, который может возникнуть по причине хренового исполнения этой самой электропроводки. Что, к сожалению не редкость, если посмотреть сводки. Или даже просто новости по телевизору. Впрочем, и сами электроприборы могут послужить причиной возгорания проводки – слишком мощный прибор запитанный от слишком тонкого провода может неслабо нагреть проводку, вплоть до возгорания, либо расплавить её так, что в результате возникнет короткое замыкание, а это прямой путь к пожару.
Вот тут-то и пригодится автоматический выключатель, поскольку прежде чем весь вышеописанный кошмар произойдёт, он просто обесточит проводку и дело с концом. Если конечно, он подобран правильно. И как же он это делает?

Принцип действия автоматического выключателя

Не буду приводить тут всё устройство автоматического выключателя, лишь объясню в двух словах как это работает.

В современных бытовых автоматах установлены два расцепителя (в старых зачастую стоял лишь один из них), работающих совершенно на разных условиях срабатывания – тепловой и электромагнитный.

Тепловой расцепитель автоматического выключателя

Уже из термина понятно, что расцепитель – это что-то такое, что размыкает электрическую цепь, причём без участия человека. Тепловой расцепитель сделан из двух спрессованных металлических пластин имеющих разный коэффициент теплового расширения. Иными словами при нагреве один металл расширяется больше, другой – меньше, но, поскольку они теперь вместе, то пластина начинает искривляться. Нагревшись до определённой температуры, пластина изгибается настолько, что отщёлкивает контакты автоматического выключателя, тем самым размыкая (расцепляя) электрическую цепь, то есть обесточивает свой участок электропроводки.

Отчего может произойти нагрев пластины? В первую очередь, от повышенной нагрузки на участке цепи которую защищает электроавтомат (такие участки обычно называют группами). Допустим, выходной провод автоматического выключателя (тот, что заходит в квартиру) имеет сечение 1 мм², значит максимальная мощность допустимая на этой группе – 3.5 киловатта (кВт), а сила тока – 16 ампер (А). Если на этой группе работают несколько светильников, и телевизор – всё нормально, автоматический выключатель будет работать в штатном режиме, то есть просто проводит электрический ток. Если же воткнуть в розетки этой группы пару тройников и подключить ещё пылесос и стиральную машину с водонагревателем – сила тока станет явно больше и провод начнёт нагреваться, поскольку сечение 1 мм² на такое насилие не рассчитано.

Вот только помимо провода в этом случае нагреется ещё и биметаллическая пластина в автоматическом выключателе, и сделав свой изгиб она отключит группу. Через несколько минут (когда пластина остынет) автомат можно будет включить заново, вот только всё лишнее из розеток лучше вынуть, во избежание повтора. С одного раза может ничего страшного и не произойдёт, но если постоянно перегружать проводку, изоляция на ней лучше от этого не станет. Она станет намного хуже, и даже если сразу не сгорит или не рассыплется – будет ухудшаться постоянно, вплоть до совсем уж печального финала. Ну а чтобы автомат гарантированно сработал от перегрузки, он должен соответствовать проводке. Скажем, в приведённом примере допустимая сила тока в проводке 16 А, значит электроавтомат желательно устанавливать с аналогичной надписью – 16 А, это и есть номинальная сила тока данного автомата. Если этот номинал будет превышен, автомат сработает на отключение. Насколько этот номинал может быть превышен, зависит от типа выключателя, об этом чуть ниже. Если поставить электроавтомат «послабее», то его периодически будет вырубать даже при нормальной нагрузке, если же поставить «сильнее» — при слишком высокой нагрузке автомат скорее всего никак не среагирует, а вот проводка просто сгорит.

Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя

При коротком замыкании (КЗ), тепловой расцепитель тоже отключает электричество, вот только делает он это очень медленно. Как правило, от КЗ до размыкания проходит не меньше (а то и больше) секунды. При таких условиях это уйма времени для того, чтобы изоляция на проводе или кабеле вспыхнула и повлекла за собой пожар, либо пришла в полную негодность (если она негорючая) и позволила раскалённым проводам что-нибудь поджечь. Значит, размыкать электрическую цепь при КЗ должно что-то другое, более быстрого реагирования, например электромагнитный расцепитель.

Электромагнитный расцепитель представляет собой небольшой соленоид, то есть катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником. При обычной работе цепи электрический ток проходит через эту катушку, создавая слабое магнитное поле, которое никак не влияет на работу цепи в целом. Если же сила тока многократно возрастает, а при коротком замыкании она может возрасти в десятки раз – магнитное поле становится достаточно сильным для того, чтобы сердечник пришёл в движение и привёл в действие отключающий механизм. В отличие от биметаллической пластины, которой нужно время на нагрев, магнитное поле возникает мгновенно, поэтому автомат успевает отключиться до появления нежелательных (или даже страшных) последствий.

Типы мгновенного расцепления автоматических выключателей

Данная характеристика зависит от силы тока при которой срабатывает электромагнитный расцепитель и имеет свой буквенный индекс:

А – автоматические выключатели этого типа срабатывают при превышении силы тока в 2-3 раза от номинального;

B – срабатывание автомата при превышении силы тока в 3-5 раз;

C – срабатывание автомата при превышении силы тока в 5-10 раз;

D – срабатывание автомата при превышении силы тока в 10-20 раз.

Существуют ещё и типы K и Z, но в быту как правило не используются, поэтому нам они сейчас неинтересны. Впрочем, как и тип D, если конечно вы не планируете подключать у себя дома токарный станок, ну или что-то в этом духе. Наиболее же распространённые «домашние» электроавтоматы – это типы B и C.

Номинальная сила тока автоматических выключателей

Вообще «размерный ряд» выключателей по номиналу довольно широк, но это как раз тот случай, когда информация бывает лишней. Поэтому вкратце только о тех, которые применяются в быту, то есть какой номинал наиболее подходящий для той или иной группы.

10 А – освещение квартиры;

16 А – розетки для обычных бытовых приборов (телевизор, пылесос, компьютер и проч.);

25 А – розетки для накопительных водонагревателей (бойлеров);

32 А – розетки для проточных водонагревателей и электроплит.

Серии автоматических выключателей

Не так давно самой распространённой серией автоматических выключателей была АЕ. К работе таких выключателей особых нареканий не было – все опасные участки цепи они обесточивали исправно, сами при этом помимо дугогасительной камеры имели корпус из абсолютно негорючей пластмассы, кстати довольно твёрдой, правда хрупкой. Крепились такие электроавтоматы на винты или саморезы, что во-первых неудобно, во-вторых, чуть перетянул винт лишнего – корпус треснул. Тем не менее, они по прежнему используются, и на некоторых предприятиях эти автоматы производят до сих пор, правда, в модернизированном варианте.

В наши дни наиболее популярной является серия автоматических выключателей ВА. Они имеют меньший размер чем предшественники, больший ряд по номинальному току (если раньше вариантов было немного, скажем, после 16 А сразу шли 25 А и 40 А, то теперь добавились 20 А и 32 А), плюс гораздо удобнее в работе, поскольку на задней стороне выключателя имеется паз для крепления на специальную пластину, так называемую DIN-рейку. Согласитесь, всё-таки проще один раз прикрутить эту рейку и потом просто защёлкивать на неё оборудование (в том числе и автоматы), чем прикручивать каждый элемент отдельно.

Полюсы автоматического выключателя

Автоматические выключатели бывают одно, двух, трёх и четырёхполюсные. Но в отличие от батарейки в данном случае нет плюса и минуса, поскольку полюс означает вовсе не полярность, а количество групп (пар). Пара – это один входящий в электроавтомат провод и один выходящий из него. К примеру на однополюсный выключатель можно завести только один фазный провод, и вывести столько же (это и есть пара, или полюс), тогда как на двухполюсный можно завести как фазный, так и нулевой, в случае превышения силы тока в цепи отключатся оба полюса. На трёхполюсный можно завести три фазы, соответственно вывести тоже три, на четырёх – можно задействовать ещё и нейтральный провод.

Но это вовсе не значит, что на двухполюсный обязательно кидать нулевой провод, так же и на трёхполюсный вовсе не обязательно заводить три фазы. Да и где их взять-то в стандартной квартире? На двухполюсный автомат вполне можно завести одну фазу, при помощи специальной перемычки соединить на входе оба полюса и получить на выходе две группы – получится практически два автомата с одинаковыми характеристиками, правда с общей клавишей. И если на одной из групп произойдёт что-нибудь нехорошее, отрубятся обе. То же самое можно проделать с трёхполюсным автоматом – на входе одна фаза объединяет все три полюса перемычками, на выходе три разные группы, но опять-таки случись чего с одной из них, отключен всё равно будет весь коллектив. Поэтому лично я рекомендовал бы всё-таки несколько однополюсных, чем из-за экономии (один трёхполюсник как правило немного дешевле трёх однополюсных с аналогичными характеристиками) терпеть вот такие веерные отключения.

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

 
Краткое содержание (ссылки на текущую страницу):

• Определение расцепителя
• Виды расцепителей, применяемых в автоматических выключателях:
  • тепловой расцепитель
  • электромагнитный расцепитель
    • различия теплового и электромагнитного расцепителя
  • термомагнитный расцепитель
  • полупроводниковый расцепитель
  • электронный расцепитель
  • независимый расцепитель
  • расцепитель минимального напряжения
  • расцепитель нулевого напряжения
• Явления, вызываемые сверхтоками (токами короткого замыкания и током перегрузки)

Определение расцепителя

Расцепители разделим на две условные группы:

• расцепители для защиты цепей;
• расцепители выполняющие вспомогательные функции.

Расцепителем (первая группа), применительно к

автоматическому выключателю

, называется устройство способное распознавать критическую ситуацию (появление сверхтока) и заблаговременно пресекать её развитие (вызывать расхождение главных контактов).

Во вторую группу расцепителей можно выделить дополнительные устройства (ими не комплектуют базовые исполнения автоматов, а снабжают лишь заказные 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, встречающихся ниже

Под

сверхтоком понимается сила тока превышающая 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 Р 50345

.

Виды расцепителей, применяемых в автоматических выключателях

В автоматические выключатели устанавливается один или комбинация, 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.

Тепловой расцепитель	Электромагнитный расцепитель
распознаёт перегрузку (ток превышающий номинальный на 30% и более)	распознаёт короткое замыкание (ток превышающий номинальный в несколько раз)
время срабатывания обратно пропорционально воздействующему току (чем больше ток, тем быстрее вызывается срабатывание)	срабатывает мгновенно

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 630А (бывают редкие исключения меньшего ампеража).

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.

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

расцепитель перегрузки калибруется при температуре +30ºС на:

• условный ток нерасцепления 1,05·In (время 1 час для In ≤ 63А и 2 часа для In ≥ 80А);
• 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 = 100А условный ток нерасцепления равен 105А.
На времятоковых характеристиках (графики всегда имеются в заводских каталогах) наглядно показывается 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 по обмотке соленоида сверхтока, создаётся магнитное поле, которое перемещает сердечник, с преодолением сопротивления возвратной пружины.

ЭМ расцепитель настраивается 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 = 200А, при уставке 7·In расцепление наступит при достижении сверхтоком значения 7 · 200 = 1400А.

Для модульных автоматических выключателей  согласно 

ГОСТ 50030.2-99

 существуют типы защитных характеристик:

• 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;
• стойкость к механическим нагрузкам (вибрации, удары).

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 используется в зарубежных каталогах и литературе.

Пример: изделия серии 

ВА57Ф35

с

комбинированным расцепителем (тепловой + электромагнитный) изготовления «Курского электроаппаратного завода».

Полупроводниковый расцепитель

Полупроводниковый расцепитель складывается из блока управления, измерительных трансформаторов (для переменного тока) или магнитные усилители (для постоянного тока) и исполнительного электромагнита, который также выступает как независимый расцепитель.
Блок управления полупроводниковым расцепителем (БУПР) позволяет выстраивать определённую пользователем программу, по которой будет производиться расцепление главных контактов.
 

К таким настройкам в общем виде относятся:

• регулировка номинального тока автомата;
• настройка времени выдержки в зоне короткого замыкания, а также перегрузки;
• уставка срабатывания при возникновении замыкания накоротко;
• переключатели защиты от токов включения, от однофазного КЗ;
• переключатель, отключающий выдержку времени при КЗ (переход из режима селективности в режим мгновенного действия).

Уставки по времени срабатывания могут быть обратно-квадратичной и обратно-кубической зависимости. При этом вводится понятие предельного тока селективности, то есть тока, при котором коммутационный аппарат ещё способен обеспечить выдержку (если КЗ окажется выше – просто произойдёт мгновенное размыкание контактной системы).

Все переключатели находятся под прозрачной крышкой, которую возможно опломбировать.

Пример: селективные выключатели 

ВА 55-41 и ВА 55-43

с полупроводниковым расцепителем на номинальные токи 1000А, 1600А и 2000А выпуска «КЭАЗ» и Ульяновского «Контактора».

Преимущества:

• широкий набор регулировок под самые сложные схемы электроснабжения;
• обеспечение селективности (избирательности), относительно последовательно подключённых автоматов с меньшими амперажами.

Недостатки:

• высокая цена;
• хрупкие элементы управления.

Электронный расцепитель

Состоит в принципе из тех же частей, что и полупроводниковый расцепитель: исполнительный электромагнит, измерительные устройства и блок управления расцепителем.

Ступенчато устанавливается рабочий ток и время выдержки, гарантирует протекцию при однофазном замыкании и при пусковых токах.

Пример: изделия серии 

ВА 88-43

с электронным расцепителем выпуска компании «ИЭК».

Достоинства:

• разнообразный выбор настроек нужных пользователю;
• высокая точность исполнения заданной программы;
• индикаторы работоспособности и причины срабатывания;
• логическая селективность с вышестоящими и нижестоящими выключателями.

Минусы:

• высокая цена;
• хрупкий блок управления;
• подверженность к воздействию электромагнитных полей.

Независимый расцепитель

С помощью независимого расцепителя (НР) осуществляют удалённое управление конкретным автоматическим выключателем. На катушку независимого расцепителя подаётся напряжение из цепи управления, создаётся магнитное поле, перемещается сердечник, воздействует на механизм свободного расцепления.
Независимый расцепитель может быть рассчитан на переменный или постоянный ток (производитель указывает линейку напряжений).
НР допускает колебания рабочего напряжения в диапазоне от 0,7 до 1,2 от Un. Режим его работы кратковременный.
После срабатывания независимого расцепителя нужно идти к распределительному щиту и в ручную взводить автоматический выключатель, а затем производить его включение.
Альтернативой НР может служить электромагнитный привод – он позволяет дистанционно как отключать, так и включать автоматический выключатель.
 
Наиболее частое применение – дистанционное отключение коммутационного аппарата, контролирующего вентиляционную систему, при возникновении пожара. При фиксировании возгорания вентиляция выключается, чтобы в здание не нагнетался воздух (кислород).

Расцепитель минимального напряжения

Расцепитель минимального напряжения исполняет такие задачи:

• отключает включённый автоматический выключатель без выдержки времени при падении напряжения от 0,7 до 0,35 от Un;
• если напряжение выше значения 0,7 Un отключения не производится;
• препятствует повторному включению при значении напряжения в сети ниже, чем 0,85 Un.

После срабатывания устройства требуется взведение механизма свободного расцепления в ручную, если не установлен электромагнитный привод.
 
 

Расцепитель нулевого напряжения

Функции расцепителя нулевого напряжения следующие:

• вызывает расцепление главных контактов при напряжении от 0,35 до 0,1 от номинального;
• не отключает включённый автомат при напряжении свыше 0,55 Un;
• позволяет повторное включение при восстановлении напряжения более 0,85 от номинального.

Как и в случае с расцепителем минимального напряжения – требуется взведение автомата в ручную, а затем его включение.
 
Подробнее об устройстве независимого расцепляющего устройства, нулевого и минимального расцепителя напряжения читай здесь.
 
 

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).
 

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.

Главная » Электрооборудование » Защитное » Автоматы » Характеристика срабатывания автоматического выключателя — принцип работы в различных ситуациях

Характеристика срабатывания автоматического выключателя — принцип работы в различных ситуациях

В электропроводке квартиры или дома обязательно имеется элемент, который называется автоматическим выключателем, или, чаще, автоматом.

Такой прибор предназначен для автоматической защиты электрической сети от неприятностей, которые могут возникнуть при перегрузке или коротком замыкании. Кроме того, с его помощью можно вручную включать и выключать электрическую цепь.

Особенности внутреннего устройства автоматического выключателя

Существует много различных конструкций автоматов, которые предназначены для защиты электросетей как индивидуальных квартир или домов, так и промышленных предприятий или торговых залов.

Автоматические выключатели определяются номинальным током и группой. В зависимости от этих характеристик автоматы защиты делятся на 3 группы – В, С и D. В бытовых электросетях обычно используются устройства типа С, в которых ток мгновенного выключения лежит в пределах от 5 до 10 значений номинального тока. Далее будут рассмотрены автоматы типа С модульного вида.

В состав автомата защиты от короткого замыкания входят и перегрузки электросети следующие блоки:

• корпус;
• механизм управления;
• устройство коммутации;
• расцепители;
• дугогасительная камера.

Корпус устройства представляет собой пластмассовую коробку, размеры которой стандартизированы. На передней стороне имеется рычаг для включения и выключения автомата, сзади имеется защелка для крепления на DIN-планке, а сверху и снизу – клеммы для подключения проводов.

Одной из отличительных характеристик электрического автомата есть механизм управления, который предназначен для ручного включения и выключения. Он состоит из рукоятки или кнопок.

Устройство коммутации – это набор силовых и вспомогательных контактов. Эти контакты могут быть подвижными или неподвижными.

Расцепители — устройства, предназначенные для размыкания электроцепи в случае, если ток в цепи превышает заданные значения. В автомате имеются электромагнитный и тепловой расцепители. Электромагнитный — это катушка индуктивности с металлическим сердечником, связанным системой рычагов с подвижным силовым контактом автомата. В тепловом — используется биметаллическая пластина, которая под действием протекающего по ней тока изгибается и через рычаги воздействует на подвижной контакт автомата.

Перед эксплуатацией устройства необходимо сделать проверку действия расцепителей автоматических выключателей.

Для ослабления воздействия дуги, которая возникает при размыкании силовых контактов, в автомате предусмотрена специальная камера, состоящая из металлических пластин. Электрическая дуга, попадающая в эту камеру, разбивается пластинами на несколько частей и гасится.

Принцип работы автомата при перегрузке

При включении в цепь питания слишком большого числа потребителей электроэнергии в цепи может появиться ток, величина которого может превышать максимальную для данной электросети величину. На практике это может возникнуть, например, когда в квартире включаются стиральная машина, утюг, чайник, бойлер, микроволновка и другие мощные потребители электроэнергии.

В случае, когда фактический ток цепи превышает номинальный у автомата, в последнем срабатывает тепловой расцепитель.

Состоящая из двух слоев металлов биметаллическая пластина при прохождении через нее тока нагревается. Под действием тепла эта пластина изгибается, воздействует на подвижный контакт автомата и размыкает цепь.

Перед тем, как выбрать выключатель автоматический. необходимо определиться с нагрузкой и типом проводки, для которой устанавливается защита. В результате этого обозначается требуемая полюсность автомата.

Правильную установку автоматического выключателя нужно делать согласно соответствующих схем подключения. О нюансах этого процесса можно прочитать тут.

Величина тока срабатывания теплового расцеплителя обычно больше номинального тока автоматического выключателя на 13-45%. Эта величина может меняться с помощью регулировочного винта при заводской регулировке в довольно широких пределах. Временная задержка выключения автомата при перегрузке необходима для того, чтобы не было лишних отключений при непродолжительном увеличении тока, что, например, бывает при пуске электродвигателя .

Действие устройства при коротком замыкании цепи

При появлении в цепи короткого замыкания происходит быстрое и резкое увеличение тока во всей сети, в том числе — в катушке электромагнитного расцепителя. Под действием резко возросшего электромагнитного поля происходит втягивание сердечника внутрь катушки. Находящийся на сердечнике рычаг воздействует на подвижный силовой контакт, отключает его от неподвижного контакта и размыкает электрическую цепь.

Воздействие токов короткого замыкания может пагубно сказаться на состоянии подключенных приборов, проводки и даже вызвать пожар. Для уменьшения воздействия таких токов время срабатывания расцепителя должно быть минимальным. Современные автоматы при воздействии токов короткого замыкания срабатывают за время не более 0,02 секунды.

Повторное включение автомата — что необходимо сделать?

При срабатывании автомата из-за перегрузки повторное включение цепи возможно только после остывания биметаллической пластины. В этом случае перед тем, как повторно включить автоматический выключатель, необходимо проанализировать нагрузку цепи и постараться ее уменьшить путем отключения лишних приборов.

Перед повторным включением цепи после срабатывания автомата по короткому замыканию необходимо попытаться найти причину этого явления и устранить ее.

Например, путем отключения всех потребителей электроэнергии можно проверить на короткое замыкание саму электропроводку. Затем проверить потребителей электричества и найти виновника короткого замыкания.

Современные LED технологии существенно расширили возможности в оформлении жилых и офисных помещений. Например — светодиодные люстры с пультом управления станут эффективным решением для домашнего освещения.

Подключение диодной ленты подразумевает использование блока питания на 12 Вольт, который можно купить или собрать самостоятельно. Как с помощью LED освещения украсить свой автомобиль — отдельная статья.

1. Для защиты электрической цепи от перегрузки и короткого замыкания применяется автоматический выключатель.
2. В автомате размыкание цепи при перегрузке тепловым расцепителем осуществляется с временной задержкой, а при коротком замыкании — электромагнитным расцепителем мгновенно.
3. Перед повторным включением после срабатывания автомата по перегрузке необходимо уменьшить число потребителей.
4. Перед повторным включением после срабатывания автомата по короткому замыканию необходимо вначале устранить причину короткого замыкания.

Принцип работы электрического автомата на видео

ALEX1887 › Блог › Как работает автоматический выключатель?

В режиме штатной работы через автомат протекает ток, меньший или равный номинальному значению. Питающее напряжение от внешней сети подается на верхнюю клемму, соединенную с неподвижным контактом. С неподвижного контакта ток поступает на замкнутый с ним подвижный контакт, а от него, через гибкий медный проводник – на катушку соленоида. После соленоида ток подается на тепловой расцепитель и уже после него – на нижнюю клемму, с подключенной к ней сетью нагрузки.

В аварийных режимах автоматический выключатель отключает защищаемую цепь за счет срабатывания механизма свободного расцепления, приводимого в действие тепловым или электромагнитным расцепителем. Причиной такого срабатывания является перегрузка или короткое замыкание.

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.

Устройство и принцип работы автоматических выключателей

Для обеспечения защиты электрических сетей используют автоматические выключатели. Подобное оборудование успело завоевать популярность благодаря легкому монтажу и ремонту, а также компактным габаритам.

Внешне данное устройство выглядит как короб из пластика, который обладает сопротивлением высоким температурам. Передняя панель оснащается рукояткой для включения и отключения оборудования. Задняя панель оснащена специальным фиксатором для закрепления выключателя, а верхние и нижние крышки оснащаются клеммами особой формы. В этой статье мы рассмотрим типы данных устройств, их конструкцию, а также принцип работы дифференциального автоматического выключателя.

Виды автоматических выключателей

Подобные устройства делятся на несколько типов:

• установочные автоматы – оснащаются пластиковым коробом, благодаря чему данные устройства можно монтировать в жилых помещениях без риска получения повреждений током;
• универсальные автоматы – не оснащаются защитным корпусом, а потому их можно монтировать только в специальном распределительном оборудовании;
• быстродействующие автоматы – особенность заключается в том, что время реагирования составляет менее 5 миллисекунд;
• автоматы замедленного действия – в таких моделях время срабатывания колеблется в диапазоне от 10 до 100 миллисекунд;
• селективные – подобное оборудование можно настроить на определенное время выключения в области тока короткого замыкания;
• электрооборудование обратного тока – техника срабатывает исключительно при смене направления тока в определенном участке;
• поляризованные устройства – обесточивают участок цепи при условии значительного скачка силы тока;
• неполяризованные – работают так же, как и предыдущие только во всех направлениях тока.

Разные виды автоматических выключателей

Скорость отключения напрямую зависит от принципа действия устройства. Также скорость отключения зависит от наличия условий для моментального обесточивания определенного участка цепи. Данные условия созданы в электрооборудовании, которые работают по методу токоограничения.

Конструкция автоматического выключателя

Методы работы, а также конструктивные особенности подобных устройств зависят от области применения и задачами, возложенными на устройство. Запуск и выключение оборудования может происходить в ручном режиме или посредством электромагнитного и электродвигательного привода.

Ручная схема отключения присутствует в защитных устройствах, которые рассчитаны на силу тока, не превышающую 1000 ампер. Главной особенностью подобной техники является предельная коммутационная способность, которая не связана со скоростью движения рукояти. Это значит, что операция должна быть проведена до конца, чтобы изменения возымели эффект.

В некоторых случаях возникает необходимость самостоятельного ремонта выключателей, рекомендуем прочитать данную статью с пошаговой инструкцией. О том, как правильно обустроить заземление в доме можно узнать, перейдя по ссылке Для разведения проводки придется провести такую операцию, как штробление стен .

Электродвигательный или электромагнитные элементы запитаны от электрического тока. Такие схемы должны быть оснащены защитой от произвольного повторного запуска. Также процесс включения устройства должен останавливаться при условии повышения или понижения напряжения в защищаемом участке цепи от 85 до 110 % от нормального.

Во время перегрузки сети или короткого замыкания прекращение работы автомата происходит в независимости от положения рукояти, отвечающей за запуск/отключение оборудования.

Конструкция автоматического выключателя с электромагнитным расцепителем

Одним из самых важных компонентов автоматических выключателей можно считать расцепитель. Данная деталь контролирует определенную характеристику участка сети и во время аварийной ситуации воздействует на специальный элемент, который выключает оборудование. Помимо этого, расцепитель необходим для удаленного выключения автомата. Самыми распространенными на современном рынке являются нижеперечисленные виды:

• электромагнитные – осуществляют защиту проводки от коротких замыканий;
• термические – нужны для осуществления защиты от скачков силы тока;
• смешанные;
• полупроводниковые – данный тип отличается легкостью регулировки и значительной стабильностью настроек отключения.

В отдельных случаях, когда требуется осуществить соединения цепи без электрического тока, могут использовать защитное электрооборудование, не оснащенные расцепителями.

В современном мире производится огромное количество защитного электрооборудования, которое можно использовать в разных климатических условиях и размещать в разных помещениях. Также разные серии устройств рассчитаны на установку в сложных условиях и характеризуются различной степенью сопротивления агрессивным воздействиям внешних факторов.

Вся необходимая информация, с которой следует ознакомиться до покупки подобного оборудования, находится в нормативно-технической документации. В большинстве случаев она представлена ТУ производителя. В редких случаях для обобщения товаров, которые имеют используются в различных сферах и изготавливаются одновременно большим числом компаний, уровень документации может быть повышен, причем, в некоторых случаях до Госстандарта.

Разные фиды расцепителей

Конструкция данного оборудования включает в себя следующие компоненты:

• система автоматического расцепления;
• система контроля;
• система контактов;
• решетка гашения дуги;
• расцепители.

Контактная система представлена некоторым количеством статичных контактов, которые установлены в корпусе, а также несколькими динамичными контактами. Последние закрепляются на полуоси рукояти управления при помощи шарниров. Система предназначена для одинарного разрыва участка электрической сети.

Механизм погашения дуги монтируется в обоих полюсах автомата и необходим для захвата дуги в и ее охлаждение до полного исчезновения. Механизм, по сути, является камерой для гашения дуги, в которой установлена деионная решетка из металлических пластинок. Иногда механизм может оснащаться специальными искрогасителями в виде фибровых пластинок.

Система автоматического расцепления является шарнирным устройством на три или четыре звена. Данная система используется для мгновенного расцепления и выключения системы контактов. Может использоваться и в ручных устройствах, и в автоматических.

Электромагнитный расцепитель является обычным электромагнитом с крюком. Обрудование предназначено для выключения всей системы в автоматическом режиме при коротком замыкании. Некоторые расцепители дополнительно оснащаются системой гидравлического замедления.

Тепловой расцепитель в автоматах представлен специальной металлической пластинкой. При значительном повышении напряжения данная пластинка деформируется, после чего осуществляется автоматическое выключение. Время выдержки сокращается по мере повышения напряжения.

Схема автоматического выключателя с тепловой защитой

Полупроводниковый элемент представлен измерительным устройством, магнитом и блоком реле. Магнит оказывает воздействие на систему автоматического расцепления автоматического выключателя.

Измерительный элемент в данном случае представлен трансформатором электричества или магнитным усилителем. Первый используется для переменного тока, а второй для постоянного.

В большинстве защитного электрооборудования используются совмещенные расцепители, которые используют термоэлементы для защиты от повышения силы тока и магнитные катушки для защиты от коротких замыканий.

В конструкции защитного устройства присутствуют некоторые компоненты, которые монтируются внутрь или снаружи автомата. Данные элементы могут быть различного рода расцепителями, дополнительными контактами, приводами для удаленного контроля, сигнализацией автоматического выключения.

Принцип работы автоматического выключателя

В обычном рабочем режиме через автоматический выключатель проходит ток, сила которого должна быть меньшей и равной нормальному значению. Электричество, которое используется для запитки устройства, подается на клемму в верхней части устройства, которая соединена со статичным контактом. С этого контакта ток идет на динамичный контакт, после чего проходит через металлический проводник и попадает на катушку соленоида.

После прохождения через катушку электричество идет по термическому расцепителю, и только после этого ток приходит на клемму в нижней части защитного электрооборудования.

Во время значительного повышения напряжения или риска короткого замыкания защитное электрооборудование отключает сеть. Это происходит с помощью системы автоматического расцепления, которая запускается посредством термического или электромагнитного расцепителя.

Принцип работы автоматического выключателя

Принцип работы автомата во время перегруза цепи

Главное назначение автоматических выключателей заключается в обеспечении защиты участка сети во время перегруза или короткого замыкания. Перегруз сети означает, что сила тока в определенном участке перевалила через максимальное значение для данного защитного электрооборудования. Слишком сильный ток проходит по тепловому расцепителю, вызывая его деформацию. В зависимости от разницы действующей силы тока и обычного значения деформация достигает определенного уровня, результатом которой может стать отключение автомата.

Тепловая защита автомата срабатывает не моментально, поскольку для деформации металлической пластинки необходимо достаточно нагреть ее. Время на отключение напрямую зависит от избыточной силы тока в защищаемом участке и может составлять как несколько секунд, так и час.

Подобная задержка необходима, чтобы автомат не срабатывал постоянно при небольших или непродолжительных скачках силы тока в определенном участке сети. В большинстве своем, такие скачки происходят во время включения электрооборудования с высокими стартовыми токами.

Сила тока, при которой срабатывает термический элемент в защитном электрооборудовании, выставляется посредством регулировочной детали еще на заводе-производителе. Как правило, данное значение должно превышать нормальное число в 1.1 – 1.5 раза.

Также следует знать, что в помещениях с высокой температурой автомат может работать некорректно, поскольку термический элемент может деформироваться быстрее, чем нужно. В свою очередь в помещениях с низкой температурой автомат сработает позже необходимого времени.

Принцип работы устройства во время перегруза цепи

Перегрузка электрической сети возникает в случае подключения большого количества приборов, общая мощность потребления которых, превышает нормальную мощность. Включение нескольких мощных электроприборов скорее всего вызовет срабатывание термического элемента.

Если такое произошло, следует до включения автомата определиться с тем, какие приборы следует отключить, произвести отключение и немного подождать. Это время необходимо, чтобы термический элемент в защитном электрооборудовании остыл и встал в начальное положение.

Принцип работы автоматического выключателя во время короткого замыкания

Устройство автоматических выключателей позволяет защищать электрическую цепь не только от перегруза, но и от коротких замыканий. Во время таких аварийных ситуаций ток повышается настолько, что может расплавиться изоляция проводки. Для предотвращения такой неприятности следует моментально отключить сеть. Эта задача возложена на электромагнитный расцепитель.

Данный элемент состоит из катушки соленоида и стального сердечника, который фиксируется специальной пружиной. Моментальный скачок силы тока в обмотке катушки ведет к пропорциональному повышению магнитной индукции, вследствие чего сердечник плотнее прилегает к пружине. По мере нарастания магнитной индукции стальной сердечник преодолевает воздействие пружины и прижимает выключатель.

После этого моментально размыкаются контакты, и подача электричества в защищаемый участок прекращается. Электромагнитный элемент включается моментально и предотвращает воспламенение изоляции.

Во время отключения контактов при аварийной ситуации между ним возникает так называемая дуга, максимальная температура которой составляет 3000 градусов. Само собой разумеется, что элементы защитного электрооборудования следует защитить от настолько высоких температур. Для этих целей автоматы оснащаются специальными системами гашения дуги. Это устройство внешне похоже на коробку, которая состоит из нескольких пластинок из металла.

Разные дугогасительные камеры

Высокотемпературная дуга появляется в месте отключения контактов. После этого один край дуги движется по динамичному контакту, а другой проходит по статичному элементу, переходит на металлический проводник, а затем доходит до задней грани системы гашения дуги. Попадая на решетку из пластинок, дуга делится на части, теряет температуру и в итоге гаснет. Снизу автоматического выключателя находятся специальные отверстия для вывода образующихся в момент гашения дуги газов.

Если защитное электрооборудование сработало из-за короткого замыкания, то у вас не получится включить электричество, пока вы не обнаружите саму причину возникновения поломки. В большинстве случаев проблема кроется в выходе из строя какого-либо электрооборудования.

Для повторного запуска устройства следует отсоединить электрооборудование и попытаться запустить выключатель. Если сделать это получилось и оборудование не выбило в ближайшее время, значит, проблема заключается в поломке техники. Останется только опытным путем выяснить, какое именно устройство вышло из строя. Если автоматический выключатель срабатывает после отключения всех приборов, значит, проблема в нарушении изоляции проводки. Для устранения подобной неисправности придется вызывать специалистов, которые смогут обнаружить и устранить поломку.

Если вы столкнулись с такой проблемой, как постоянные отключения защитного электрооборудования, то не стоит устанавливать новое устройство с более высоким номинальным значением силы тока – эти действия проблему не разрешат. Данное оборудование монтируется с учетом площади поперечного сечения провода, а значит, слишком высокий ток попросту не сможет возникнуть в проводке. Выяснить причину неисправности и устранить ее помогут соответствующие специалисты, самостоятельные действия крайне рискованны.

Источники: