Принцип работы автоматического выключателя - устройство и назначение

Назначение автоматического выключателя

Автоматический выключатель применяется для защиты от коротких замыканий и перегрузок, а также коммутации электрической цепи. Данные аппараты служат для оперативных или аварийных отключений. Выключатели выполняют следующие защитные функции:

• пропускать нормальный ток
• отключать ток короткого замыкания 
• отключать аномальный ток (перегрузка) с выдержкой времени.
• отключаться при снижении напряжения сети ниже заложенной уставки
• коммутация цепей

Данные устройства различаются в зависимости от типа тока (постоянный или переменный), класса напряжения (низковольтные, высоковольтные), среды для гашения дуги. В данном материале будут рассматриваться воздушные автоматы до 1кВ переменного напряжения, преимущественно бытового назначения. Хотя для понимания процессов и некоторых функций будут рассмотрены и более технологичные автоматы. 

Никто не называет их воздушные автоматические выключатели, потому что они все воздушные. Отличные от воздуха среды для гашения дуги применяются на классы напряжения, где за счет дугогасящей среды уменьшаются допустимые расстояния и это позволяет добиваться меньших габаритов.

Устройство автоматического выключателя

Если посмотреть на выключатель, то первое что бросается в глаза: нижние и верхние места подключения проводов, рычаг включения/отключения. Но это явно не всё! Что же скрыто от глаз? Контактные группы, расцепители, камеры гашения дуги. Но давайте по порядку.

Число полюсов 

Полюс - это часть выключателя, которая связана одной токопроводящей частью с его цепью и имеющая контакты для замыкания и размыкания, исключая те части,  которые служат для монтажа и оперирования полюсами совместно. Так написано в ГОСТ Р 51324.1-2005. 

Определение ну такое себе. Здесь важно не уйти в ошибку, путая число полюсов и фаз. Или количество полюсов и контактов в выключателе. Может ли в трехфазной цепи стоять однополюсный выключатель? Да, если защищает одну фазу. 

А может ли выключатель быть однофазным, трехфазным, двухфазным? Он применяется в таких цепях, но его характеризует число полюсов, которое описывает конструктивные особенности конкретной модели.

Следовательно выключатели бывают: однополюсные, двухполюсные, трехполюсные и четырехполюсные. В цепях постоянного тока встречаются однополюсные и двухполюсные - защищать или плюс и минус вместе или плюс/минус по отдельности. 4 полюса, если фазы всего три? Четвертый для защиты нулевого провода.

На изображениях выше приведены примеры 1, 2, 3 полюсных аппаратов. Нагляднее это легче воспринять.

Расцепители

И если вы выдохнули, подумав, что полюс выключателя это самое сложное, то возрадуйтесь расцепителям. Что из себя представляет расцепитель по функционалу? Это релейное устройство - реле, которое воздействует на выключатель, реагируя на изменение тока или напряжения.

Расцепители, реагирующие на увеличение тока называют максимальные расцепители, они бывают:

• электромагнитные - защита от КЗ
• тепловые - защита от перегрузки
• комбинированные
• полупроводниковые

Кроме максимальных расцепителей автоматические выключатели могут дополнительно быть оснащены следующими устройствами:

• минимальный расцепитель (срабатывает при снижении уровня напряжения ниже заданной уставки)
• независимый расцепитель
• вспомогательные контакты

В бытовых выключателях в основном есть электромагнитный и тепловой расцепители. 

Принцип работы автоматического выключателя

Работа автоматического выключателя заключается в прерывании протекания тока в электрической цепи при превышении значения допустимых значений. Например, протекание тока выше номинального значения автомата (перегрузка), или авария - ток короткого замыкания. Выше мы рассмотрели возможные ситуации, теперь опишем что происходит с выключателем в некоторых из них.

Подключение к сети

Изначально выключатель в коробке и его необходимо подключить к электрической цепи. У выключателя есть силовые клеммы для подключения и клеммы контактов. Клеммы контактов соединяются с релейным отсеком, где собирается схема РЗА. Но это в распределительных устройствах. В бытовом выключателе вся релейка находится внутри устройства и у нас есть только количество клемм равное числу полюсов умножить на два. 

Перед тем как подключать выключатель под нагрузку, неплохо бы удостовериться в его целостности. Для этого необходимо проверить целостность фаз, целостность изоляции между фазами, работоспособность расцепителей. Об этом будет написано ниже. После того как мы проверили, необходимо провести монтаж выключателя. 

На всех выключателях присутствует электрическая схема. Например, три фазы и группы контактов. Рассмотрим на примере АВДТ32. На корпусе максимально расписано что куда - фаза к фазе, нуль к нулю. Сеть сверху, нагрузка снизу. Есть ли разница? Самое главное - не соединить фазу с нулем. Остальное для порядка при эксплуатации. Но и эксплуатация не доверяет при первом осмотре подключенным проводам, а производит замер где фаза, а где ноль в проводке. Это базовая безопасность.

Режимы работы

Когда выключатель введен в электрическую схему его включают и он работает. Если его выключают - электроэнергия в цепи не протекает. Это два нормальных режима - выключатель включен и выключатель отключен. В зависимости от объекта эксплуатации циклов включение-отключение - от одного в год до одного в день - все индивидуально. Теперь к самому интересному - аномальные ситуации, когда в работу включаются защитные функции выключателей.

Короткое замыкание

Между двумя точками с потенциалами полное сопротивление цепи становится очень мало и возрастает ток (сверхток). Выключатели имеют уставку максимального тока КЗ, на которое он  безболезненно реагирует - не загорится, не пробьется изоляция, отключится за заложенное время отключения.

Отключение КЗ должно происходить максимально мгновенно для исключения плавления проводки и возгорания.

Принцип гашения дуги

При наступлении короткого замыкания образуется сверхток, который течет от места повреждения, доходит до выключателя. Выключатель имеет электромагнитный расцепитель, представляющий собой катушку соленоида, внутри которой стальной сердечник, удерживаемый пружиной. 

При прохождении сверхтока через соленоид увеличивается магнитный поток и сердечник втягивается в катушку и, сдавливая пружину, нажимает на спусковую планку. Тем самым контакты размыкаются.

При размыкании контактов дуга растягивается между контактами (подвижным и неподвижным). Через неподвижный контакт дуга попадает по проводнику в дугогасительную камеру, где она дробится и затухает. 

Режим протекания тока перегрузки 

Токовая перегрузка встречается на электродвигателях при долгом развороте при самозапуске из-за неисправностей частей агрегата. Встречается и в бытовой проводке из-за подключения приборов больше, чем рассчитана сеть.

Чем это опасно? Протекание токов, более, чем допустимые, приводят к старению изоляции. Старение изоляции приводит к пробою изоляции.

Для защиты от перегрузки в автоматических выключателях используют биметаллическую пластину, которая изгибается при протекании токов перегрузки. Изгиб происходит постепенно во времени и в конце пластина приводит в действие механизм отключения.

Бывали случаи, когда из-за неверно заданных уставок перегрузки при самозапуске двигатель отключался до разворота - приходилось менять уставку. Бывало и наоборот, когда двигатель отключался перегрузкой и причиной было заклинивание вала. 

Режим минимального напряжения

Выключатели могут дополняться расцепителями минимального напряжения. Данные расцепители срабатывают, когда напряжение на них снижается до значения меньше допустимого - от 0,7Uном и ниже. Это необходимо в случаях, когда на подключенном оборудовании нельзя допускать снижение напряжения. В бытовых ситуациях для этих целей используют реле контроля напряжения.

Характеристики

Общие

• Число полюсов
• Род тока
• Категории применения
• Селективность
• *Время-токовая характеристика

Номинальные величины

• Номинальное рабочее напряжение
• Номинальное напряжение изоляции
• Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение
• Условный тепловой ток на открытом воздухе
• Условный тепловой ток в оболочке
• Номинальный ток
• Номинальная частота
• Номинальный режим эксплуатации

Характеристики в условиях короткого замыкания

• Номинальная наибольшая включающая способность
• Номинальные наибольшие отключающие способности
• Номинальная предельная наибольшая отключающая способность 
• Номинальная рабочая наибольшая отключающая способность 
• Стандартное  соотношение  между  наибольшими  включающей  и
• отключающей способностями и соответствующий коэффициент мощности для выключателей переменного тока
• Номинальный кратковременно выдерживаемый ток 

Расцепители

• Независимый расцепитель
• Максимальный расцепитель тока
• Минимальный расцепитель напряжения
• Токовая уставка максимальных расцепителей
• Уставка по времени расцепления максимальных расцепителей тока

Проверка работоспособности

Объем проверки автоматических выключателей до 1кВ зависит от заявленных функций или функций, которые будут использоваться. То есть это:

• прозвонка во включенном и отключенном состоянии
• проверка сопротивления изоляции между фазами и полюсами
• проверка отключения на сверхтоки (перегрузки и КЗ) - прогрузка автоматов
• проверка времени срабатывания
• проверка напряжения отключения (при наличии)

Для автоматов выше 1 кВ объем испытаний включает дополнительные проверки. Вообще выключатели используются для защиты цепей (кэп). Поэтому они могут встречаться на участках цепей, которые защищают: квартиру, электродвигатель, электрический прибор, устройство РПН и так далее - в общем, везде. Кроме того, их используют, если необходимо собрать цепь для подачи напряжения - например для испытания оборудования или проверки электрической схемы.