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.
АВ – это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для проведения тока цепи в нормальных режимах и для автоматического отключения электроустановок при перегрузках и токах КЗ, чрезмерных понижениях напряжения и других аварийных режимах. Возможно использование аппаратов для нечастых (6-30 раз в сутки) оперативных включений и отключений цепей. Применение их возможно в сетях до 1 кВ.
АВ изготовляют одно-, двух-, трех- и четырехполюсными. Для выполнения защитных функций АВ снабжаются либо тепловыми (защита от токов перегрузки), либо электромагнитными (защита от токов КЗ), либо комбинированными (тепловыми и электромагнитными) расцепителями. Действие тепловых расцепителей автоматов основано на использовании нагрева биметаллической пластины, изготовленной из спая двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения. В расцепителе при токе, превышающем расчетный, на который он выбран, одна из пластин при нагреве удлиняется больше и вследствие большего ее удлинения воздействует на отключающий пружинный механизм. В результате чего коммутирующее устройство автомата размыкается. Данный расцепитель обладает большой тепловой инерцией, из-за чего не может защищать питающую линию или асинхронный двигатель от токов КЗ. Т.е. продолжительность токов КЗ значительно меньше времени срабатывания теплового расцепителя.
Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит, который воздействует на отключающий пружинный механизм. Если ток в катушке превышает определенное, заранее установленное значение (ток срабатывания), то электромагнитный расцепитель отключает линию мгновенно. Настройку расцепителя на заданный ток срабатывания называют уставкой тока. Уставку тока электромагнитного расцепителя на мгновенное срабатывание называют отсечкой. В зависимости от наличия механизмов, регулирующих время срабатывания расцепителей, АВ разделяются на неселективные с временем срабатывания 0,02. 0,1 с, селективные с регулируемой выдержкой времени и токоограничивающие с временем срабатывания не более 0,005 с.
АВ изготавливают с ручным, электромагнитным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.
Контактная система АВ на большие токи – двухступенчатая, состоит из главных и дугогасительных контактов. Главные контакты должны иметь малое переходное сопротивление, т.к. по ним проходит основной ток.
Общее устройство АВ:
1 – пластмассовый корпус с крышкой или без; 2 – главные контакты (подвижные и неподвижные); 3 – дугогасительные камеры (2 фибровых щеки и ряд медных пластин); 4 – механизм свободного расцепления; 5 – расцепители; 6 – привод; 7 – отключающая пружина; 8 – вспомогательные контакты.
14. Назначение, общее устройство, принцип действия и типы предохранителей на напряжение до 1 кВ
Предохранитель – это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи разрушением специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение.
В большинстве предохранителей отключение цепи происходит за счет расплавления плавкой вставки, которая нагревается протекающим через нее током защищаемой цепи. Чем больше протекаемый ток, тем меньше время расплавления плавкой вставки. Эта зависимость называется защитной характеристикой предохранителя. Для уменьшения времени срабатывания предохранителя, применяются плавкие вставки из различного материала (цинк, медь, алюминий, свинец и серебро), специальной формы, а также используется металлургический эффект.
При токах КЗ узкие участки плавления вследствие слабого отвода от них теплоты по сравнению с временем нагревания, перегорают прежде, чем ток КЗ достигнет своего установившегося (в цепях постоянного тока) или ударного (в цепях переменного тока) значения. Т.е. предохранители обладают токоограничивающим действием, при котором ток КЗ ограничивается до значения iОГР (в 2-5 раз).
Основные элементы предохранителя: корпус, плавка вставка (плавкий элемент), контактная часть, дугогасительное устройство и дугогасительная среда.
Предохранители изготовляют на напряжение 36, 220, 380, 660 В переменного тока, и 24, 110, 220, 440 В постоянного. В один и тот же корпус предохранителя могут быть вставлены плавкие элементы на различные номинальные токи.
Плавкие вставки предохранителей выдерживают токи, превышающие на 30-50% их номинальные токи в течение одного часта и более. При превышении в 60-100%, они плавятся за время менее одного часа.
Насыпные типа ПН-2. Служат для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В постоянного тока. Выполняются на номинальные токи 100-600 А. Представляет из себя прямоугольную фарфоровую трубку, внутри засыпанную сухим кварцевым песком. Плавкая вставка приварена к шайбам врубных контактных ножей. Крышки с асбестовыми прокладками герметически закрывают трубку. Плавкая вставка – медные ленточки с вырезами и капельками олова посередине.
Предохранители НПН подобны ПН, но имеют неразборный стеклянный патрон без контактных ножей и рассчитываются на токи до 63 А. Плавкой вставкой служит медная проволока с каплей олова.
Предохранители типа ПР-2, которые изготовляют до 1000 А и являются разборными. В составе имеется фибровый патрон, а температурное воздействие на него вызывает интенсивное гашение дуги газовыми выделениями материала патрона. Плавкая вставка – цинковая пластина с сужениями.
Предохранители серии ПП-31 с алюминиевыми вставками на номинальные токи 63-1000 А разработаны взамен предохранителей серии ПН-2.
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;
Принцип действия автоматического выключателя
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: