Автоматические выключатели — конструкция и принцип работы. Школа для электрика: все об электротехнике и электронике Трехфазный коммутационный аппарат с тепловым

Содержание:

С самого начала использования электроцепей на бытовом и промышленном уровне, возникла проблема защиты линий от токовых перегрузок. Это необходимо для сохранения приборов, бытовой техники, всех элементов в цепи от разрушения в случае короткого замыкания, в том числе и самих проводов. При токах, превышающих расчетное сечение проводов, изоляция и токопроводящая структура металла плавятся, чтобы этого избежать, цепь надо немедленно отключить от источника питания. К каждому участку цепи дежурного электрика не приставишь, отключения должны происходить в автоматическом режиме. Было придумано много способов: тепловые реле, биметаллические пластины, плавкие предохранители и другие. Последние приборы, которые сейчас эффективно используются в электросетях, - это автоматические выключатели.

Общие понятия и область применения

Конструктивно это обычное устройство коммутации, переключатель, положение которого можно устанавливать вручную (включено или выключено). Но этот прибор предусматривает автоматическое отключение при превышении номинального тока, проходящего через контакты. Повышенный ток может возникнуть при подключении электроприборов, потребляющих большую мощность, или коротком замыкании в цепи неисправных электропотребителей.

В производственных, жилых, административных зданиях и других сооружениях автоматы устанавливаются в распределительных щитах. Но производители бытовой техники, различного электрооборудования на своих изделиях тоже включают в схему автоматические выключатели, это является дополнительной защитой. Бытует ошибочное мнение, что автоматические выключатели защищают обслуживающий персонал от поражения электрическим током. Для этого в цепи устанавливается УЗО (устройство защиты от прикосновения), конструкция и принципы работы которого требуют отдельного более детального рассмотрения. Обычные автоматы защиты выполняют следующие функции:

коммутацию, подключение и выключение в ручном режиме;
автоматическое отключение цепи при токах, превышающих установленное значение;
практически мгновенное отключение при очень высоких токах короткого замыкания.

Получается, что эти приборы выполняют опции управления и защиты электросети, главная задача - исключить перегрев проводов и плавление изоляции, за которыми следует короткое замыкание. В итоге превышения токовых перегрузок может возникнуть возгорание со всеми вытекающими последствиями.

Виды автоматических выключателей

Все автоматические выключатели можно разделить по конструктивному исполнению и величине пропускаемого тока:

Воздушные автоматические выключатели - способны пропускать в рабочем режиме токи в тысячи ампер, поэтому используются на промышленных объектах с потреблением большой мощности электроэнергии.

Автоматы в литом корпусе - имеют широкий диапазон рабочего тока от 16 до 1000 А, поэтому они универсальны, широко применяются на бытовых и промышленных объектах.

Модульные автоматы выключения - такие изделия наиболее востребованы на бытовом уровне, используются для защиты электрических цепей в квартирах, частных домах и других объектах хозяйственного назначения, где используется электричество.

Производители делают изделия одного размера со стандартными креплениями на -рейку, но разные по номиналам рабочего тока: 1, 2, 3, 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40 А и более.

Кроме разных величин рабочего тока, автоматические выключатели отличаются количеством полюсов, подключаемых к ним:

Однополюсные автоматы защищают участок цепи от распределительного щита до потребителя электроэнергии (до розетки или лампочки). Однофазный автомат повышает надежность работы, но не гарантирует полной защиты цепи от фазы из РЩ через нагрузку до нулевой шины в РЩ.

Чтобы повысить надежность защиты участка цепи, надо защитные автоматы устанавливать на оба полюса (на фазный и нулевой провод в распределительном щите).

Двухполюсный защитный автомат осуществляет полное отключение однофазной цепи (разрывается фазный и нулевой провода).

Такие автоматы применяют в сетях, где подключаются нагревательные электроприборы большой мощности, кухонные плиты, кондиционеры и сплит-системы. Используются в трехфазных сетях, где приборы рассчитаны на напряжение 380 В;

Трехполюсный электрический автомат устанавливается в трехфазной сети четырехпроводного кабеля. При эксплуатации электроприборов, подключаемых по схеме звезда или треугольник (электродвигатели), фазы проходят через автомат защиты, а нулевой провод минует его. При превышении установленного значения тока или температуры на одной из фаз отключаются все три.
Четырехполюсный электрический автомат чаще всего используется как вводный автомат для защиты сети, к которой подключен электродвигатель большой мощности по схеме звезда.

При аварии на одной из фаз сеть полностью обесточивается, защитные автоматы отключают все четыре провода от источника питания.

Основные технические характеристики

Независимо от марки автоматического выключателя важными для всех являются следующие электрические параметры:

максимально допустимое и рабочее напряжение;
максимально допустимый рабочий ток;
допустимая мощность;
величина тока отключения расцепителя;
время срабатывания расцепителя при превышении порогового значения тока;
предельно допустимая температура проводников;
время срабатывания автоматического выключателя при достижении пороговой температуры на биметаллической пластине и многие другие параметры, которые важны при выборе автоматического выключателя.

Профессионалы хорошо знают основные технические характеристики защитных автоматов различных моделей, у них не возникает вопросов, как выбрать автоматы защиты. Для потребителей на бытовом уровне, чтобы не вдаваться в сложные графики и физические формулы, достаточно знать перечисленные выше значения и следующую классификацию:

В – автоматический выключатель этой категории срабатывает при превышении номинального значения токов в 3–5 раз. Они эффективны при использовании на объектах со старой проводкой;

С – электрические автоматы этой категории срабатывают при превышении рабочей токовой нагрузки в 5–10 раз, их можно применять в новостройках, где установлена новая проводка с медными проводами;

D – автоматический выключатель с минимальным временным интервалом срабатывания при превышении пороговой температуры и тока. Отключение происходит мгновенно, что надежно защищает от перегорания обмоток электродвигателей.

Конструкция, основные элементы и принцип работы

Все рассмотренные виды автоматов имеют различные размеры, конструктивные особенности, технические характеристики, но принцип работы и основные элементы у них одинаковы. Поэтому рассмотрим, как работает панельный однополюсный электрический автомат.

Чем выше ток, больше температура, тем сильнее изгибается пластина, воздействуя на механизм размыкания контактов.

Основные характеристики автоматических выключателей указываются производителями на корпусе.

Если вам сложно ориентироваться, выбирая автоматы защиты, в терминологии технических характеристик, проконсультируйтесь у продавца или попросите грамотного специалиста помочь выбрать нужный автоматический выключатель.

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;

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:

Цепи электропроводки в промышленных и бытовых помещениях обязательно включают в свой состав не один автоматический выключатель . Этот элемент обеспечивает безопасную эксплуатацию не только электросетей, но и зданий, сооружений в целом.

Устройство защитного отключения – автоматический выключатель

Необходимость

В случае короткого замыкания или превышения допустимых токовых нагрузок он автоматически размыкает цепь. Отключение нагрузки предотвращает возгорание изоляции кабелей и распространение пожара, выхода из строя дорогостоящего оборудования, травмирования людей.

Существует много типов автоматических выключателей, они отличаются по мощности тепловых и токовых нагрузок, по габаритам, конструктивному исполнению и другим признакам. На бытовом уровне большинство используемых типов автоматических выключателей имеют общие принципы срабатывания и одинаковый набор составных элементов.

Даже формы корпусов, отверстия и отдельные элементы крепления приведены к общему стандарту. Любой тип низковольтного автоматического выключателя, который используется в административных зданиях, квартирах, частных домах, легко устанавливается на стандартные элементы крепления распределительных щитов. Рассмотрим часто применяемый в быту тип модульного автоматического выключателя марки ДЕК серия ВА.

Панель выключателя АВ

Конструктивные особенности

Автоматический выключатель типа ВА построен на модульной основе, это позволяет использовать его в однофазной и трехфазной, одно- и многополюсной сетях. Для защиты однофазной сети нужен однополюсный автоматический выключатель: один модуль, чего вполне достаточно.

Электроустановки, работающие от трехфазной сети, защищаются трехполюсными автоматами защиты от трех модулей, по одному на каждую фазу. В этом случае автоматические выключатели собираются в единый блок.

Для синхронного срабатывания всей группы автоматов при превышении допустимого порога тока на одной из фаз рычаги управления фиксируются общей планкой. Для синхронного срабатывания рычаги управления также могут фиксироваться общей пластиковой планкой.

Стандартные отверстия дают возможность установить на автоматический выключатель дополнительные устройства промышленного типа: отдельные расцепители, сигнальные контакты и другие. Устанавливаемые элементы часто используются на производственных объектах для дистанционного контроля за срабатыванием и управлением работой электроустановок.

Пластиковые корпуса типовых модулей неразборные, они имеют стандартизированные размеры. Сверху и снизу расположены клеммы для проводов с винтовым устройством зажима.

В верхней части корпуса 2 отверстия:

для отвода скопившихся газов от нагрева;
для доступа к винту регулировки порога срабатывания, биметаллического элемента тепловой защиты.

Корпус автомата: вид сверху

С тыльной стороны корпуса предусмотрены пазы и зажимные элементы, позволяющие одевать и фиксировать автоматический выключатель на стандартную DIN-рейку в распределительных щитах. Такая конструкция позволяет передвигать переключатели вдоль рейки, не отключая от цепи, разделять группы, она удобна при сборке, монтажных и ремонтных работах.

Автоматический выключатель на ДИН-рейке

Как работает автомат

На примере одного модуля типа АВ рассмотрим, как работает автоматический выключатель и отдельные его элементы. Автоматическое управление срабатыванием на выключение осуществляется двумя параметрами: силой тока, проходящего через контакты выключателя, и температурой нагрева.

Для контроля значений этих параметров автоматический выключатель имеет два элемента:

обмотка электромагнитной катушки со стальным сердечником рассчитана на определенную силу тока;
биметаллические пластины откалиброваны, загибаются пропорционально величине проходящего через них тока, при превышении номинального значения оказывают механическое воздействие на расцепитель, который осуществляет контроль температурного режима.

Устройство автомата в разрезе

Наверняка многие из нас задумывались, почему автоматические выключатели так оперативно вытеснили из электросхем устаревшие плавкие предохранители? Активность их внедрения обоснована рядом весьма убедительных аргументов, среди которых возможность купить этот вид защиты, идеально соответствующий время-токовым данным конкретных видов электрооборудования.

Сомневаетесь, какой именно автомат вам нужен и не знаете, как правильно его выбрать? Мы поможем найти верное решение – в статье рассмотрена классификация этих устройств. А также важные характеристики, на которые следует обратить пристальное внимание при выборе автоматического выключателя.

Чтобы вам было проще разобраться с автоматами, материал статьи дополнен наглядными фото и полезными видеорекомендациями от специалистов.

Автомат практически моментально отключает вверенную ему линию, что исключает повреждение проводки и питающейся от сети техники. После выполненного отключения ветку можно сразу же вновь запустить, не производя замену предохранительного прибора.

Если вы обладаете знаниями или опытом выполнения электромонтажных работ, пожалуйста, поделитесь им с нашими читателями. Оставляйте ваши комментарии о выборе автоматического выключателя и нюансах его установки в комментариях ниже.

Автоматические выключатели – это устройства, задача которых заключается в защите электрической линии от повреждения под воздействием тока большой величины. Это могут быть как сверхтоки короткого замыкания, так и просто мощный поток электронов, в течение достаточно длительного времени проходящий по кабелю и вызывающий его перегрев с дальнейшим оплавлением изоляции. Автомат защиты в этом случае предотвращает негативные последствия, отключая подачу тока в цепь. В дальнейшем, когда ситуация придет в норму, аппарат можно вновь включить вручную.

Функции автоматического выключателя

Защитные устройства предназначены для выполнения следующих основных задач:

Коммутация электроцепи (возможность отключения защищаемого участка при возникновении неполадок с питанием).
Обесточивание вверенной цепи при возникновении в ней токов КЗ.
Защита линии от перегрузок при прохождении сквозь аппарат тока чрезмерной величины (такое бывает, когда суммарная мощность приборов превышает максимально допустимую).

Говоря кратко, АВ одновременно осуществляют защитную и управляющую функцию.

Основные типы выключателей

Существует три основных вида АВ, отличающихся друг от друга по конструктивному исполнению и предназначенные для работы с нагрузками разной величины:

Модульный. Он получил свое название из-за стандартной ширины, кратной 1,75 см. Рассчитан на токи небольшой величины и устанавливается в сетях бытового электроснабжения, для дома или квартиры. Как правило, это однополюсный автомат или двухполюсный.
Литой. Называется так из-за литого корпуса. Может выдерживать до 1000 Ампер и используется преимущественно в промышленных сетях.
Воздушные. Предназначен для работы с токами величиной до 6300 Ампер. Чаще всего это трехполюсный автомат, однако сейчас выпускают аппараты этого типа и с четырьмя полюсами.

Автомат защитный однофазный представляет собой автоматический выключатель, который наиболее распространен в бытовых сетях. Он бывает 1- и 2-х полюсным. В первом случае к аппарату подключается только фазная жила, а во втором – еще и нулевая.

Кроме перечисленных видов, существуют также устройства защитного отключения, обозначаемые аббревиатурой УЗО, и дифференциальные автоматы.

Первые нельзя считать полноценными АВ, их задача заключается не в защите цепи и включенных в нее приборов, а в предотвращении удара электрическим током при касании человеком открытого участка. Дифференциальный защитный автомат представляет собой объединенные в одном устройстве АВ и УЗО.

Как устроены автоматы защиты?

Рассмотрим подробно устройство автоматического выключателя. Корпус автомата выполнен из диэлектрического материала. Он состоит из двух частей, которые соединены между собой заклепками. Если необходимо разобрать корпусную часть, заклепки высверливаются, и открывается доступ к внутренним элементам защитного автомата. К ним относятся:

Винтовые клеммы.
Гибкие проводники.
Рукоятка управления.
Подвижный и неподвижный контакт.
Электромагнитный расцепитель, представляющий собой соленоид с сердечником.
Тепловой расцепитель, в состав которого входит биметаллическая пластина и регулировочный винт.
Газоотводное отверстие.

С задней стороны автоматический защитный предохранитель оборудован специальным фиксатором, с помощью которого он крепится на DIN-рейке.

Последняя представляет собой рейку из металла, имеющую ширину 3,5 см, на которую крепятся модульные устройства, а также некоторые виды электрических счетчиков. Чтобы присоединить автомат к рейке, корпус защитного устройства следует завести за ее верхнюю часть, после чего защелкнуть фиксатор, надавив на нижнюю часть аппарата. Снять автомат защиты с DIN-рейки можно, подцепив защелку снизу.

Фиксатор модульного выключателя может быть очень тугим. Чтобы прикрепить такое устройство к DIN-рейке, нужно заранее подцепить защелку снизу и завести защитное устройство на место крепежа, после чего отпустить фиксирующий элемент.

Можно сделать проще – при защелкивании фиксатора сильно нажать на его нижнюю часть отверткой.

Наглядно, зачем нужен автоматический выключатель, на видео:

Принцип действия автоматического выключателя

Теперь разберемся, как работает автомат защиты сети. Подключение его осуществляется подъемом вверх рукоятки управления. Чтобы отключить АВ от сети, рычаг опускают вниз.

Когда автомат защитный электрический функционирует в обычном режиме, то электрический ток при поднятой вверх рукоятке управления поступает к аппарату через подсоединенный к верхней клемме кабель питания. Поток электронов идет к неподвижному контакту, а от него – к подвижному.

Затем по гибкому проводнику ток поступает на соленоид электромагнитного расцепителя. С него по второму гибкому проводнику электричество идет к биметаллической пластине, входящей в тепловой расцепитель. Пройдя по пластине, поток электронов через нижнюю клемму уходит в подключенную сеть.

Особенности работы теплового расцепителя

При превышении током цепи, в которой установлен автомат защиты, номинала устройства возникает перегрузка. Поток электронов высокой мощности, проходя через биметаллическую пластину, оказывает на нее термическое воздействие, делая более мягкой и заставляя выгнуться в сторону отключающего элемента. При вступлении последнего в контакт с пластиной происходит срабатывание автомата, и подача тока в цепь прекращается. Таким образом, тепловая защита позволяет не допустить чрезмерного нагревания проводника, которое может привести к расплавлению изоляционного слоя и выходу проводки из строя.

Нагревание биметаллической пластины до такой степени, чтобы она изогнулась и вызвала срабатывание АВ, происходит в течение определенного времени. Оно зависит от того, насколько величина тока превышает номинал автомата, и может занять как несколько секунд, так и час.

Срабатывание теплового расцепителя происходит в случае превышения током цепи номинала автомата как минимум на 13%. После остывания биметаллической пластины и нормализации величины текущего тока защитное устройство можно будет снова включить.

Существует еще один параметр, способный повлиять на срабатывание АВ под воздействием теплового расцепителя – это температура окружающей среды.

Если воздух в помещении, где установлен аппарат, имеет высокую температуру, то пластина нагреется до отключающего предела быстрее, чем обычно, и может сработать даже при незначительном возрастании тока. И наоборот, если в доме холодно, нагревание пластинки будет происходить медленнее, и время до отключения цепи увеличится.

Срабатывание теплового расцепителя, как было сказано, требует определенного времени, в течение которого ток цепи может прийти в норму. Тогда перегрузка исчезнет, и отключения устройства не произойдет. Если же величина электротока не снижается, автомат обесточивает цепь, предотвращая оплавление изоляционного слоя и не допуская возгорания кабеля.

Причиной перегрузки чаще всего становится включение в цепь устройств, суммарная мощность которых превышает расчетную для конкретно взятой линии.

Нюансы электромагнитной защиты

Электромагнитный расцепитель предназначен для защиты сети от короткого замыкания и по принципу работы отличается от теплового. Под действием сверхтоков КЗ в соленоиде возникает мощное магнитное поле. Оно сдвигает в сторону сердечник катушки, который размыкает силовые контакты защитного устройства, воздействуя на механизм расцепителя. Питание линии прекращается, благодаря чему исчезает опасность возгорания проводки, а также разрушения замкнувшей установки и автоматического выключателя.

Поскольку в случае КЗ в цепи происходит мгновенное возрастание тока до величины, способной за короткое время привести к тяжелым последствия, срабатывание автомата под воздействием электромагнитного расцепителя происходит за сотые доли секунды. Правда, при этом ток должен превысить номинал АВ в 3 и более раза.

Наглядно про автоматические выключатели на видео:

Когда контакты цепи, через которую протекает электрический ток, размыкаются, между ними возникает электрическая дуга, мощность которой прямо пропорциональна величине сетевого тока. Она оказывает на контакты разрушающее воздействие, поэтому для их защиты в состав устройства входит дугогасительная камера, представляющая собой набор пластинок, установленных параллельно друг другу.

При контакте с пластинами происходит дробление дуги, в результате чего снижается ее температура и происходит затухание. Газы, возникшие при появлении дуги, через специальное отверстие удаляются из корпусной части защитного устройства.

Заключение

В этой статье мы рассказали о том, что такое автоматические выключатели, какими бывают эти устройства и по какому принципу они работают. Напоследок скажем, что защитные автоматы не предназначены для установки в сеть в качестве обычных выключателей. Такое использование достаточно быстро приведет к разрушению контактов аппарата.