При перенапряжении изоляция резко нагревается. При достижении максимального значения тока предохранитель отключает цепь. За это время изоляция может быть повреждена, поэтому для контроля тока вводится еще одна функция.
Автоматические выключатели. Обзор.
Автоматический выключатель — это коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрической сети от сверхтоков, т.е. короткого замыкания и перегрузки.
Термин «переключающее устройство» означает, что оно может включать и выключать электрические цепи, другими словами, выполнять функции переключения.
Автоматические выключатели могут иметь либо электромагнитный выключатель, который защищает цепь от короткого замыкания, либо комбинированный выключатель, где в дополнение к электромагнитному выключателю используется тепловой выключатель для защиты цепи от перегрузок.
Примечание: Согласно требованиям ПУЭ, бытовые электросети должны быть защищены как от коротких замыканий, так и от перегрузок. Поэтому для защиты домовых линий электропередачи требуется комбинированный отключающий выключатель.
Автоматические выключатели делятся на однополюсные (однофазные), двухполюсные (одно- и двухфазные), трехполюсные (трехфазные) и четырехполюсные (система заземления TN-S).
Устройство и принцип работы автоматического выключателя.
На следующем рисунке показан автоматический выключатель с комбинированным распадом, т.е. с электромагнитным и тепловым распадом.
- 1 — Корпус,
- 2,3 — нижняя и верхняя винтовые клеммы для подключения проводника,
- 4 — неподвижный контакт,
- 5 — скользящий контакт,
- 6 — дугогасительная камера,
- 7 — гибкий проводник (для соединения подвижных частей выключателя),
- 8 — механизм приведения в действие и отключения
- 9 — катушка магнитного расцепления
- 10 — рычаг управления
- 11 — тепловой расцепитель (биметаллическая пластина),
- 12 — регулировочный винт,
Синие стрелки на рисунке показывают направление протекания тока через автоматический выключатель.
Основными компонентами автоматического выключателя являются электромагнитный и тепловой расцепители:
Электромагнитный расцепитель защищает цепь от токов короткого замыкания. Он представляет собой катушку, в центре которой находится сердечник, опирающийся на специальную пружину. Ток, протекающий через катушку в нормальном режиме работы в соответствии с законом электромагнитной индукции, создает электромагнитное поле, которое втягивает сердечник в катушку, но сила этого электромагнитного поля недостаточна для преодоления сопротивления пружины, на которую опирается сердечник.
В случае короткого замыкания ток в цепи внезапно увеличивается до величины, кратной номинальному току автоматического выключателя, Этот ток короткого замыкания, протекающий через электромагнитный выключатель катушки, увеличивает электромагнитное поле, действующее на сердечник, до силы, достаточной для преодоления сопротивления пружины, и, проникая в сердечник катушки, размыкает подвижный контакт автоматического выключателя, тем самым разрывая цепь:
В случае короткого замыкания (т.е. внезапного увеличения тока в несколько раз) магнитный расцепитель отключает цепь в течение доли секунды.
Тепловой расцепитель перегрузки защищает цепь от перенапряжения. Перегрузка может возникнуть при подключении к сети электрооборудования общей мощностью, превышающей допустимую нагрузку сети, что, в свою очередь, может привести к перегреву кабелей, повреждению изоляции кабелей и их порче.
Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину. Биметаллическая пластина — это пластина, сваренная из двух пластин разных металлов (металл «А» и металл «В» на рисунке ниже), которые имеют разные коэффициенты расширения при нагревании.
Когда через биметаллическую пластину проходит ток, превышающий номинальный ток выключателя, пластина начинает нагреваться, при этом металл «B» имеет более высокий коэффициент расширения при нагревании, т.е. он расширяется быстрее, чем металл «A» при нагревании, вызывая изгиб биметаллической пластины, изгиб, который влияет на исполнительный механизм, размыкающий подвижный контакт. На простой диаграмме это выглядит следующим образом:
Маркировка и характеристики автоматических выключателей.
BA63 — Тип и серия автоматического выключателя.
Номинальный ток — это максимальный ток питания, при котором автоматический выключатель может работать непрерывно без срабатывания.
Стандартные номинальные токи для автоматических выключателей составляют 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 35, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300 ампер.
Номинальное напряжение — это максимальное напряжение сети, на которое рассчитан автоматический выключатель.
Значение NC — это максимальная отключающая способность автоматического выключателя. MDC указывает максимальный ток короткого замыкания, который автоматический выключатель может прервать, сохраняя свою работоспособность.
В нашем случае MCCP составляет 4500 A (ампер), что означает, что если ток короткого замыкания меньше или равен 4500 A, автоматический выключатель может электрически разомкнуться и остаться в рабочем состоянии; если ток короткого замыкания превышает эту цифру, существует вероятность того, что подвижные контакты автоматического выключателя расплавятся и сварятся.
Характеристика отключения определяет диапазон отключения электромагнитного автоматического выключателя цепи.
В нашем примере показан автоматический выключатель с характеристикой «C», который имеет рабочий диапазон 5-Iн до 10-Iн включительно. (Iн— номинальный ток автоматического выключателя), т.е. от 5*32=160А до 10*32+320. Это означает, что наш автоматический выключатель обеспечивает немедленное включение цепи уже при токах 160 — 320А.
Примечание:
- Стандартными характеристиками отключения (согласно ГОСТ Р 50345-2010) являются характеристики «B», «C» и «D»,
- Диапазон приведен в таблице в соответствии с общепринятой практикой, но может меняться в зависимости от индивидуальных параметров конкретных энергосистем.
Температура окружающей среды и тепло от соседних полюсов могут значительно изменить рабочие параметры выключателя. При расчете зарядной мощности выключателя учитывается возможный перегрев путем умножения номинального тока на коэффициенты Kt и Kn.
Работа автоматического выключателя
Независимо от категории, к которой относится автоматический выключатель, его основной функцией является размыкание в случае возникновения сверхтока в сети, и он должен размыкать сеть до того, как произойдет повреждение защитных устройств и кабелей.
В сети существует два типа опасных токов:
Перенапряжения, вызванные коротким замыканием. Короткое замыкание возникает при встрече нейтрального проводника с фазным. Обычно фазный и нулевой проводники подключаются к нагрузке отдельно.
Перенапряжения. Такие токи часто возникают, когда суммарная мощность оборудования, подключенного к линии, превышает предел.
Токи перегрузки
Сверхтоки часто немного превышают номинальный ток автоматической системы, поэтому сверхтоки обычно не вызывают повреждения цепи, если они возникают только на короткое время. Следовательно, в этом случае нет необходимости немедленно отключать сеть (часто значение тока быстро приходит в норму). Каждый автоматический выключатель имеет определенную величину сверхтока, которая вызывает срабатывание автоматического выключателя.
Время срабатывания автоматического выключателя зависит от уровня перегрузки. При большой перегрузке выключатель сработает в течение нескольких секунд, а при небольшой перегрузке выключатель может сработать в течение часа или более. Это связано с использованием биметаллической пластины, которая при нагревании током, превышающим номинальное значение, изгибается, тем самым отключая автоматику. Чем выше значение тока, тем быстрее изгибается пластина и тем быстрее включается автоматический контроль газовой горелки.
Токи КЗ
При правильно подобранном автоматическом управлении горелкой ток короткого замыкания должен срабатывать немедленно. Электромагнитный расцепитель отвечает за обнаружение и немедленную реакцию автоматического управления горелкой. Конструктивно блок отключения представляет собой магнит с сердечником. Под воздействием перенапряжения сердечник вызывает немедленное срабатывание автоматики, которое должно произойти за доли секунды.
Это подводит нас к основной теме данной статьи. Как уже упоминалось, существует несколько классов автоматических выключателей, которые отличаются по своей токово-временной характеристике. Категории B, C и D наиболее часто используются в бытовых установках. Автоматические выключатели категории А встречаются гораздо реже. Они являются наиболее чувствительными и используются для защиты высокоточного оборудования.
Теперь мы плавно возвращаемся к основной теме — отключению автоматических выключателей в соответствии с их токово-временной характеристикой. Эти устройства отличаются друг от друга по величине мгновенного тока срабатывания. Его значение зависит от соотношения между током, протекающим в цепи, и номинальной мощностью выключателя.
Автоматы типа MA
Главная особенность выключателей типа MA заключается в том, что они не имеют теплового расцепителя. Этот тип устройств обычно используется для защиты электродвигателей и другого мощного оборудования.
