Назначение автоматического выключателя

Устройство и принцип работы автоматического выключателя

Для электромонтёра коммутационная аппаратура является одним из основных устройств, с которыми приходится работать. Автоматические выключатели несут как коммутационную, так и защитную роль. Ни один современный электрощит не обходится без автоматов. В этой статье мы рассмотрим, как устроен и работает автоматический выключатель.

Определение

Автоматический выключатель – это коммутационный прибор, предназначенный для защиты кабелей от критических значений токов. Это нужно для того, чтобы избежать повреждений токопроводящих жил проводов и кабелей в случае межфазных замыканий и замыканий на землю.

Важно: Основная задача автоматического выключателя – защитить кабельную линию от последствий протекания токов короткого замыкания.

Основными характеристиками автоматических выключателей являются:

Номинальный ток (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);

Время токовая характеристика.

Наибольшее распространение автоматы получили в бытовых и промышленных электросетях с напряжением 220/380 вольт. Напряжения приведены для отечественных электросетей. За рубежом они могут отличаться. В высоковольтных линиях используются релейные схемы и трансформаторы тока. Время-токовая характеристика отражает, через какой промежуток времени и при какой величине тока относительно номинального произойдет размыкание его контактов. Пример её изображен на рисунке ниже:

Принцип работы

Автоматический выключатель (АВ) – это коммутационный аппарат, который содержит два вида защиты:

Каждый из них выполняет одну и ту же работу – размыкание силовых контактов, но при разных условиях. Рассмотрим их подробнее.

При протекании токов через автомат ниже номинального его контакты будут замкнуты бесконечно долго. Но при незначительном превышении тока тепловой расцепитель, представленный биметаллической пластиной, разомкнет их.

Чем больше ток, протекающий через контакты автоматичсекого выключателя, тем быстрее произойдет нагрев биметаллической пластины – это описывается во время токовой характеристике и обозначается быстродействием автомата (буква около номинального тока в маркировке). В зависимости от того насколько перегружен по току автомат зависит время его отключения, это могут быть и десятки минут, а могут быть и единицы секунд.

Электромагнитный расцепитель срабатывает при быстром росте тока. Величина тока его срабатывания на порядки превышает номинальный ток.

Отсюда возникает вопрос: “Так зачем же автомату две защиты, если можно просто сконструировать его так, чтобы он выключался сразу при превышении номинального тока?”

Ответа на этот вопрос два:

1. Наличие двух защит увеличивает надежность системы в целом.

2. При подключении к автоматическому выключателю устройств ток, у которых изменяется в процессе пуска и работы, чтобы не происходило ложных срабатываний. Например, у электродвигателей пусковой ток может в десятки раз превышать номинальный, а также при их работе могут возникать кратковременные перегрузки на валу (допустим, токарный станок). Тогда при затяжном пуске будет также выбивать автомат.

Устройство

Автоматический выключатель состоит из:

Корпуса (на рисунке – 6).

Клемм для подключения токопроводящих жил (на рисунке – 2).

Силовых контактов (на рисунке – 3, 4).

Дугогасительной камеры (на рисунке – 8).

Рычагов соединенных с кнопками или флажками для его включения и отключения (замыкания и размыкания контактов) (на рисунке – 1 и то, с чем он соединен).

Теплового разъединителя (на рисунке – 5).

Электромагнитного разъединителя (на рисунке – 7).

Цифрой 9 обозначена защелка для крепления на дин-рейку.

К клеммам (обычно верхним, на практике не имеет особого значения) подключается питания, к клеммам на противоположной стороне подключается нагрузка. Ток проходит через силовые контакты, катушку электромагнитного разъединителя, тепловой разъединитель.

Электромагнитная защита выполнена в виде катушки из медного провода, она намотана на каркасе, внутри которого расположен подвижный сердечник. Катушке содержит от нескольких единиц до пары десятков витков, в зависимости от её номинального тока. При этом, чем меньше номинальный ток, тем больше витков и меньше сечение провода катушки.

При протекании тока через катушку вокруг неё образуется магнитное поле, которое воздействует на подвижный сердечник внутри. В результате чего он выдвигается и толкает рычаг, в результате чего силовые контакты размыкаются. Если смотреть на рисунке – то рычаг находится ниже катушки, и когда её сердечник опускается – механизм приводится в действие.

Тепловая защита нужна для длительных превышений тока. Она представляет собой биметаллическую пластину, которая при нагреве изгибается в одну из сторон. При достижении критического состояния она толкает рычаг, и контакты разъединяются. Дугогасительная камера нужна для гашения дуги, которая возникает вследствие размыкания цепи под нагрузкой.

Процесс дугообразования зависит от характера нагрузки и её величины. При этом при отключении индуктивной нагрузки (электродвигатель) возникают более сильные дуги, чем при коммутации активной нагрузки. Газы, образовавшиеся в результате её горения, отводятся через специальный канал. Это в разы повышает срок службы силовых контактов.

Дугогасительная камера состоит из набора металлических пластин и диэлектрических крышек. Заключение Раньше автоматические выключатели ремонтировали, и можно было собрать из нескольких один нормально функционирующий. Была возможность отрегулировать и заменить силовые контакты и другие его узлы.

В настоящее время автоматы заключены в неразборный литой или собранный с помощью заклепок корпус. Их ремонт нецелесообразен, сложен и займет много времени. Поэтому автоматы просто заменяют новыми.

Назначение и устройство автоматических выключателей

В настоящее время на рынке представлено достаточно большое разнообразие автоматических выключателей, которые предназначены не только для отсечки токов высокого номинала при скачках напряжения, но и от перегрузки участка электрической цепи, а также от пониженных нагрузок сети. По своему виду все автоматические выключатели делят на:

• селективные;
• нормативные;
• быстродействующие.

Стандартное время отсекания у селективных и нормативных автоматов — в пределах 0,02-0,1 сек. А вот у быстродействующих на порядок выше, и достигает значения — в 0,05 сек.

На всех автоматах имеются крепежные элементы, позволяющие их монтировать в электрические коробки, щитки и т.д., которые оборудованы специальной крепежной планкой в задней части.

Монтаж автоматических выключателей в коробку не сложен. Для этого вам необходимо его прижать задней частью к монтажной планке коробки и немного прижать до характерного щелчка. Если вам необходимо будет автомат снять, то вам необходимо будет потянуть ушко, расположенное сверху автомата.

Принцип работы автоматического выключателя

Механизм автомата и находится внутри пластикового корпуса. Кроме того здесь находятся ещё и предохранительные устройства или расцепители , которых может быть два – электромагнитный и тепловой. Они предназначены для отсечки электрической цепи.

Тепловой расцепитель – это биметаллическая пластинка, которая, в случае прохождения токов высокого значения, выпрямляется, размыкая электрическую цепь. Это достаточно медленный прерыватель.

Электромагнитный расцепитель представляет собой специальную катушку, которая рассчитана на токи определенного порогового значения. В том случае, если данное значение превысило норму – катушка разрывает электрическую цепь. Благодаря этому свойству – автомат с электромагнитным расцепителем имеет значительно короткое время отсечки.

Уровень чувствительности автоматов

В современных автоматах имеется возможность отключения напряжения в двух вариантах. Первый из них – быстрый. Благодаря электромагнитному расцепителю автомат срабатывает при превышении напряжения более чем на 140% (это пороговое значение для стандартных автоматов). Если превышение напряжения не достигает заданного уровня, то со временем, от перегрева, сработает тепловой расцепитель.

В зависимости от тепловых характеристик самого расцепителя, напряжения, а также температуры окружающей среды – процесс отсечки может длиться и несколько часов.

Полярность автоматических выключателей

Все современные автоматы также делятся и в зависимости от полюсов. Это значит, что автомат может иметь несколько электрических линий, которые будут независимы одна от другой, но объединенные одним отключающим механизмом. В настоящее время автоматы могут иметь 1,2,3,4 полюса.

Пороговая сила тока автоматического выключателя

Автоматические выключатели также делятся и по определенной пороговой чувствительности. Это позволяет отсечь от сети напряжение соответствующей силы тока. Автоматы с номинальным значением изготавливаются и настраиваются на заводе-изготовителе. Значение этого показателя прописывается на самом автомате.

В частном строительстве и быту используют автоматические выключатели с такими значениями силы тока: 3А, 6А, 10А, 16А, 25А, 32А, 40А, 63А, 100А, 160А. Кроме того существуют и автоматические выключатели с повышенными показателями – это 1000А, 2600А, которые не используют в частном строительстве. Это значение показывает нам общую мощность потребителей электрической цепи, которые будут находиться под контролем заданного автомата. Помимо общей мощности приборов также необходимо учитывать и электропроводку электроцепи, розетки, выключатели и т.д.

Типы современных автоматических выключателей

В настоящее время все автоматы делятся производителями на несколько типов, обозначаемых определенными буквами:

• А – предназначен для работы в цепях, имеющих полупроводниковые приборы, а также довольно большой протяженности;
• В – ставятся в цепи системы освещения общего назначения;
• С – устанавливаются в цепях систем освещения, а также и в электроустановках, имеющих умеренные пусковые токи. К таким установкам относят двигатели, трансформаторы.
• D – устанавливаются в цепи активно-индуктивной нагрузки. Кроме того эти автоматы можно ставить и на электродвигатели, имеющие большие пусковые токи.
• К – автоматы, предназначенные для установки в сетях с индуктивными нагрузками.
• Z – обеспечивают защиту электронных приборов.

Назначение автоматических выключателей

Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для оперативных включений и отключений низковольтных электрических цепей и защиты их от токов КЗ и перегрузок, а также от исчезновения или снижения напряжения сети.

Роль защитных элементов, реагирующих на отклонение той или иной контролируемой величины от своего нормального значения, выполняют расцепители.

В автоматах могут быть установлены следующие расцепители:

– максимального тока, срабатывающие мгновенно при токе КЗ в цепи;

– минимального напряжения, срабатывающие в случае понижения или исчезновения напряжения;

– обратного тока, которые срабатывают при изменении направления тока в цепи постоянного тока;

– независимые (ни от каких параметров электрической цепи), которые служат для дистанционного отключения автоматов;

– тепловые, применяемые для защиты от перегрузок (по типу тепловых реле пускателей);

– комбинированные, включающие электромагнитные и тепловые расцепители одновременно.

Автоматические выключатели снабжаются механизмом свободного расцепления (МСР), который позволяет обеспечить отключение автомата в процессе включения или после него.

Устройства автоматического выключателя и принцип его работы

Описание принципа работы и устройства автоматического выключателя основано на примере модульного автомата (автоматического выключателя), как наиболее часто применяемого быту для управления и защиты от коротких замыканий и перегрузок электропроводки (рисунок 1).

Корпус автоматического выключателя 1 выполнен из термостойкой пластмассы. Пластиковая рукоятка 2 служит для управления автоматом (включение или выключение). Фиксация автоматического выключателя на DIN-рейке производится защёлкой-фиксатором 3.

Принцип работы автоматического выключателя следующий: при включении автомата напряжение, подаваемое на верхнюю винтовую клемму 4 проходит через биметаллическую пластину 6 (тепловое расцепление) и через обмотку соленоида 9, поступая на подвижный контакт 7.

Далее, через неподвижный контакт 8, напряжение поступает на нижнюю винтовую клемму, к которой подключается “отходящий” провод – нагрузка. Защитное отключение автоматического выключателя происходит при срабатывании механизма расцепления, приводя к размыканию подвижного контакта 7.

Механизм расцепления, в зависимости от силы проходящего тока может быть приведён в действие двумя способами:

1) при значительном резком увеличении тока, проходящего через автомат (короткое замыкание) образуется магнитное поле, которое втягивает сердечник, что приводит в действие механизм расцепления – это магнитное расцепление;

2) при прохождении через автоматический выключатель токов со значениями, превышающими допустимые, происходит нагрев биметаллической пластины 6, что приводит к её изгибу и, как и в первом случае – расцеплению контактов.

Из-за больших токов, в обоих случаях при расцеплении контактов образуется дуга, поэтому для её нейтрализации в устройство автоматического выключателя обязательно входит дугогасительная камера 5, которая представляет собой набор металлических пластин особой формы, закреплённых параллельно.

В качестве дополнительной защиты от прогорания корпуса автоматического выключателя применяется специальная металлическая пластина 10.

Рассмотрим устройство наиболее часто применяемых автоматов А-3100.

1 – элекромагнитный расцепитель; 2 – гибкое соединение; 3 и 4 – подвижный и неподвижный контакты; 5 – основание; 6 – пластины дугогасительной камеры; 7 – кнопка; 8 – тепловой расцепитель

Наиболее часто применяемые автоматы А-3100 имеют контактную систему, состоящую из подвижных 3 и неподвижных 4 контактов с напайками из металлокерамики. Подвижные контакты гибкими связями соединены с шинами электромагнитного 1 и теплового 8 расцепителей. Замыкание и размыкание контактов происходит с постоянной скоростью, не зависящей от скорости движения рукоятки автомата 7. Чем больше нагрузка, тем быстрее отключает автомат. Так, при перегрузке на 30-40% автомат срабатывает в течение часа, при перегрузке 200% – от 20 до 100 с в зависимости от типа автомата. Повторные включения автомата возможны после остывания теплового реле (через 3–4 мин).

Электромагнитный расцепитель автомата служит для защиты сети от токов короткого замыкания и состоит из якоря с возвратной пружиной и сердечника, внутри которого расположена шина рабочего тока. Ток короткого замыкания создает в сердечнике сильное поле, под действием которого якорь перемещается и поворачивает отключающую рейку. Автомат при этом отключается мгновенно. Автоматы серии А-3100 выпускают рассчитанными на токи 50–600 А.

Автоматические воздушные выключатели имеют разнообразные конструкции и выпускаются с независимым расцепителем для дистанционного управления (А-3100), с расцепитслем минимального напряжения (А-3120), с электродвигательпым приводом для включения (АВМ), селективные с часовым механизмом (АВ), с температурной компенсацией (АЕ, А-3700).

Расцепители могут быть тепловыми, электромагнитными и комбинированными. В тепловых расцепителях для отключения автомата используют биметаллические пластинки. Комбинированный расцепитель состоит из теплового и электромагнитного. Автомат с электромагнитным расцепитслем имеет в каждой фазе электромагнитное реле максимального тока. В случае превышения тока в защищаемой цепи выше тока уставки автомата сердечник реле втягивается и через расцепитель действует как отсечка на отключение автомата.

При длительных токах перегрузки, незначительно превышающих номинальные токи расцепителей, время отключения автоматического выключателя возрастает.

Автоматические выключатели могут быть регулируемыми и нерегулируемыми и характеризуются номинальным напряжением и поминальным током, а их тепловые расцепители — номинальным током расцепителя и током уставки.

К нерегулируемым автоматам относят выключатели серий А-3100, АЕ-1000, АЕ-2000, АК-68, АБ-25.

Выключатели серий АП-50, А-3700, АВ, АВМ относят к регулируемым и они имеют регулировочные устройства, с помощью которых можно изменять значение тока установки.

{SOURCE}