При возникновении перенапряжения изоляция электрических проводов начинает сильно нагреваться. Как только ток достигает своего максимального значения, срабатывает предохранитель, который отключает электрическую цепь. Однако за время, пока происходит этот процесс, существует риск повреждения изоляции, что делает необходимым внедрение дополнительной функции контроля тока.
Автоматические выключатели. Обзор.
Автоматический выключатель (АВ) представляет собой специальный коммутационный аппарат, который предназначен для защиты электрической сети от сверхтоков, возникающих при коротком замыкании или перегрузке. Это важное устройство, поскольку оно обеспечивает безопасность работы всей электрической системы.
Термин «переключающее устройство» подразумевает, что автоматический выключатель может как включать, так и выключать электрические цепи, выполняя таким образом функции коммутации и защиты.
Автоматические выключатели бывают разных типов. Они могут включать электромагнитный расцепитель, который отвечает за защиту цепи от короткого замыкания, или комбинированный выключатель, который сочетает в себе как электромагнитный, так и тепловой расцепитель, с целью защиты от перегрузок и короткого замыкания одновременно.
Примечание: В соответствии с требованиями правил устройства электроустановок (ПУЭ), все бытовые электросети должны быть защищены от коротких замыканий и перегрузок. Поэтому для обеспечения защиты электрических линий в домах необходимо устанавливать комбинированные отключающие выключатели.
Автоматические выключатели делятся на несколько категорий: однополюсные (однофазные), двухполюсные (одно- и двухфазные), трехполюсные (трехфазные) и четырехполюсные, которые могут использоваться в системах заземления типа TN-S.
Устройство и принцип работы автоматического выключателя.
На следующем рисунке показан автоматический выключатель с комбинированным расцепителем, который включает в себя как электромагнитный, так и тепловой выключатель.
- 1 — Корпус устройства;
- 2,3 — Нижняя и верхняя винтовые клеммы для подключения проводников;
- 4 — Неподвижный контакт;
- 5 — Скользящий контакт;
- 6 — Дугогасительная камера;
- 7 — Гибкий проводник, соединяющий подвижные части выключателя;
- 8 — Механизм приведения в действие и отключения;
- 9 — Катушка магнитного расцепителя;
- 10 — Рычаг управления;
- 11 — Тепловой расцепитель (биметаллическая пластина);
- 12 — Регулировочный винт.
Синие стрелки на рисунке показывают направление протекания электрического тока через автоматический выключатель.
Ключевыми компонентами автоматического выключателя являются электромагнитный расцепитель и тепловой расцепитель:
Электромагнитный расцепитель защищает цепь от токов, возникающих при коротком замыкании. Он состоит из катушки, внутри которой находится сердечник. При нормальной работе тока, проходящего через катушку, в соответствии с законом электромагнитной индукции, создается электромагнитное поле, которое втягивает сердечник внутрь катушки. Однако сила этого поля недостаточна для преодоления сопротивления пружины, на которую опирается сердечник.
При коротком замыкании ток в цепи резко возрастает до значений, многократно превышающих номинальный ток автоматического выключателя. Это резкое увеличение тока вызывает рост электромагнитного поля до такой степени, что оно преодолевает сопротивление пружины и, втягивая сердечник, размыкает подвижный контакт автоматического выключателя, тем самым разрывая электрическую цепь:
При возникновении короткого замыкания (резкого увеличения тока в несколько раз) электромагнитный расцепитель отключает цепь всего за доли секунды.
Тепловой расцепитель, предназначенный для защиты от перегрузок, срабатывает, когда ток, протекающий в цепи, превышает допустимые значения. Перегрузка может возникнуть, когда к сети подключается электрооборудование общей мощностью, превышающей разрешенную нагрузку, что может привести к перегреву и повреждению изоляции проводников.
Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, слагаемую из двух различных металлов, которые имеют разные тепловые коэффициенты расширения (например, металл «А» и металл «В»). Это важно, так как различия в коэффициентах расширения позволяют пластине изгибаться под воздействием температуры:
Когда через биметаллическую пластину протекает ток, превышающий ее номинальное значение, пластина начинает нагреваться, и металл «B» расширяется быстрее, чем металл «A». Это приводит к изгибу биметаллической пластины, который воздействует на механизм срабатывания, размыкающий подвижный контакт. Этот механизм значительно влияет на работу всего устройства, обеспечивая его защитные функции.
Маркировка и характеристики автоматических выключателей.
Маркировка типа BA63 указывает на последовательность и серию автоматического выключателя. Номинальный ток – это максимальный ток, при котором автоматический выключатель может функционировать непрерывно без срабатывания. Стандартные номинальные токи для автоматических выключателей варьируются и могут составлять следующие значения: 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 определяет максимальное напряжение, на которое рассчитан автоматический выключатель. Также существует значение NC, обозначающее максимальную отключающую способность автоматического выключателя. Это значение MDC указывает максимальный ток короткого замыкания, который автоматический выключатель может прервать, оставаясь при этом работоспособным.
Например, если в нашем случае значение MCCP составляет 4500 A (ампер), это означает, что если ток короткого замыкания меньше или равен указанному значению, автоматический выключатель может разомкнуться, не теряя своей работоспособности. Однако если ток короткого замыкания превышает этот предел, имеются риски плавления и сваривания подвижных контактов автоматического выключателя.
Характеристика отключения автоматического выключателя определяет диапазон его срабатывания при перегрузках и коротком замыкании.
В данном примере вы можете видеть автоматический выключатель с характеристикой «C», у которого рабочий диапазон составляет от 5-Iн до 10-Iн включительно (где Iн — это номинальный ток данного выключателя). Это означает, что автоматический выключатель будет реагировать на возникновение тока уже при значениях от 160 А до 320 А (при условии, что номинальный ток составляет 32 А):
Важно отметить следующее:
- Стандартные характеристики отключения, согласно ГОСТ Р 50345-2010, включают категории «B», «C» и «D»;
- Диапазон характеристик представлен в таблице на основе общепринятой практики, однако он может изменяться в зависимости от специфики конкретных энергосистем.
Температура окружающей среды, а также тепло, выделяемое соседними полюсами, могут существенно влиять на рабочие параметры автоматического выключателя. При расчете допустимой нагрузки устройства принимается во внимание возможное перегревание, для чего номинальный ток умножается на коэффициенты Kt (температура окружающей среды) и Kn (коэффициент, связанный с соседними полюсами).
Работа автоматического выключателя
Независимо от категории, к которой принадлежит автоматический выключатель, его главной задачей остается размыкание цепи при возникновении сверхтоков в сети. Он должен обеспечивать отключение цепи до того, как произойдет повреждение защитных устройств или самих кабелей.
В электрической сети выделяются два основных типа небезопасных токов:
Перенапряжения, возникающие при коротком замыкании. Короткое замыкание происходит, когда нейтральный проводник сталкивается с фазным. В нормальных условиях фазный и нулевой проводники подключаются к нагрузке отдельно для предотвращения подобных ситуаций.
Перенапряжения, также возникающие, когда общая мощность оборудования, подключенного к сети, выходит за допустимые пределы.
Токи перегрузки
Сверхтоки, как правило, немного превышают номинальные значения автоматической системы, и они, как правило, не приводят к повреждению цепи, если возникают только на короткое время. Поэтому в таких случаях нет нужды в немедленном отключении сети, поскольку значение тока может быстро вернуться к норме. Каждый автоматический выключатель имеет свою допустимую величину сверхтока, которая способна вызвать его срабатывание.
Время срабатывания автоматического выключателя зависит от уровня перегрузки: при значительных перегрузках выключатель может сработать в течение нескольких секунд, а при незначительных – за час или более. Это связано с тем, что внутри AВ используется биметаллическая пластина, которая при нагреве током, превышающим номинальные значения, начинает изгибаться, что приводит к отключению автоматики. Чем выше значение тока, тем быстрее происходит изгиб пластины и, соответственно, быстрее срабатывает механизм управления.
Токи КЗ
При правильной настройке автоматического управления горелкой ток короткого замыкания должен срабатывать немедленно. Основная роль в этом случае принадлежит электромагнитному расцепителю, который обнаруживает перенапряжение и мгновенно реагирует на него. Конструктивно блок отключения представляет собой магнит с сердечником. Под воздействием перенапряжения сердечник инициирует мгновенное срабатывание автоматической защиты, которое должно происходить за доли секунды.
Данная тема подводит нас к основному вопросу статьи. Как уже упоминалось, существует несколько классов автоматических выключателей, различающихся по своим токово-временным характеристикам. Наиболее распространенными для бытовых установок являются категории B, C и D. Автоматические выключатели категории A встречаются реже, так как они очень чувствительны и используются в основном для защиты высокоточного и деликатного оборудования, требующего надежной защиты от перегрузок.
Теперь вернемся к ключевому вопросу — срабатыванию автоматических выключателей в соответствии с их токово-временной характеристикой. Эти аппараты различаются по величине мгновенного тока срабатывания, который прямо зависит от соотношения между током, протекающим в цепи, и номинальной мощностью самого выключателя.
Автоматы типа MA
Основной особенностью автоматов типа MA является отсутствие теплового расцепителя, что делает их идеальными для защиты мощных электрических машин и электродвигателей.
