Как работает однополюсный автомат

Устройство и принцип работы автоматического выключателя

Многих интересует, для чего нужен автоматический выключатель, а также устройство и принцип действия автоматического выключателя. Сегодня в нашей статье мы постараемся ответить на эти вопросы.

Итак, начнем с первого вопроса. Автоматический выключатель устанавливают для того, чтобы защитить кабели, провода, а также электроприборы от короткого замыкания (к.з.) и перегрузки.

Устройство автоматического выключателя

Модульный автоматический выключатель внешне представлен в виде корпуса и рычага управления, которые выполнены из ПВХ-пластиката пониженной горючести. Также невооруженным взглядом можно определить клеммы (нижняя и верхняя) для подключения кабеля или провода. Внутри же корпуса защитного аппарата размещаются следующие элементы:

• силовые контакты (подвижный и неподвижный), обеспечивающие коммутацию;
• механизм взвода и расцепления, который взаимосвязан с рычагом управления;
• катушка (электромагнит) и подвижный сердечник (якорь), выполняющий функцию толкателя. Эти элементы являются электромагнитным расцепителем и обеспечивают защиту от токов к.з.;
• дугогасительная камера. Данное устройство выполняет быстрое гашение дугового разряда, который образуется при размыкании контактов;
• биметаллическая пластина. Данный элемент является тепловым расцепителем и обеспечивает защиту от повышенной нагрузки. Также имеется регулировочный винт, при помощи которого обеспечивается регулировка значения тока, при котором данный расцепитель должен сработать.

Принцип работы автоматического выключателя

Работа автоматического выключателя в различных режимах происходит по такому принципу:

1. Нормальный режим.

Во время взвода рычага управления выключателем приводится в движение механизма взвода и расцепления, тем самым осуществляя коммутацию силовых контактов.
После коммутации ток протекает от питающего провода или кабеля, подключенного к винтовому зажиму, через этот зажим по контактам, сначала по неподвижному, а затем и по подвижному. Далее ток проходит через гибкую связь, катушку электромагнита, снова через гибкую связь и биметаллическую пластину, и в конце через нижний винтовой зажим к отходящей линии, "питающей" электроприбор.

2. Короткое замыкание.

В данном режиме электромагнитный расцепитель автоматического выключателя должен произвести мгновенное отключение нагрузки. Принцип действия заключается в следующем: при значительном превышении номинального тока, протекающего через обмотку электромагнита, возникает мощное магнитное поле, которое тянет вниз якорь с подвижным контактом. Якорь в свою очередь надавливает на рычажок спускового механизма, в результате чего происходит отключение нагрузки.
Необходимо отметить, что в результате мгновенного возникновения магнитного поля автоматический выключатель успевает отключиться до появления нежелательных последствий.
Однако во время размыкания возможно возникновение дугового разряда между подвижным и неподвижным контактами. Дуга движется в сторону дугогасительной камеры. Попадая на пластины, дуга расщепляется, завлекается внутрь камеры и тухнет. Образовавшиеся продукты горения вместе с избыточным давлением выходят наружу через специальное отверстие в корпусе автомата.

За защиту от перегрузки отвечает тепловой расцепитель. Принцип работы данного расцепителя заключается в следующем: когда ток, протекающий через биметаллическую пластину, становится равным или больше установленного значения, пластина нагревается и постепенно изгибается. Достигнув определенного угла изгиба, она надавливает своим кончиком на рычажок спускового механизма. Таким образом автомат отключается.

Стоит отметить, что терморасцепитель, в отличие от магнитного, является более медлительным. Для его срабатывания требуется больше времени, но зато он более точный и легче поддается настройке.

Мы рассказали об устройстве и принципе работы автоматического выключателя. Также вы можете посмотреть наше видео, в котором детально показано, как устроен автомат и принцип его работы.

Автоматические выключатели

Автоматический выключатель (автомат) — это коммутационный аппарат предназначенный для защиты электрической сети от сверхтоков, т.е. от коротких замыканий и перегрузок.

Определение «коммутационный» означает, что данный аппарат может включать и отключать электрические цепи, другими словами производить их коммутацию.

Автоматические выключатели бывают с электромагнитным расцепителем защищающим электрическую цепь от короткого замыкания и комбинированным расцепителем — когда дополнительно с электромагнитным расцепителем применяется тепловой расцепитель защищающий цепь от перегрузки.

Примечание: В соответствии с требованиями ПУЭ бытовые электросети должны быть защищены как от коротких замыканий, так и от перегрузки, поэтому для защиты домашней электропроводки следует применять автоматы именно с комбинированным расцепителем.

Автоматические выключатели делятся на однополюсные (применяются в однофазных сетях), двухполюсные (применяются в однофазных и двухфазных сетях) и трехполюсные (применяются в трехфазных сетях), так же бывают четырехполюсные автоматические выключатели (могут применяться в трехфазных сетях с системой заземления TN-S).

Устройство и принцип работы автоматического выключателя.

На рисунке ниже представлено устройство автоматического выключателя с комбинированным расцепителем, т.е. имеющий и электромагнитный и тепловой расцепитель.

1,2 — соответственно нижняя и верхняя винтовые клеммы для подключения провода

3 — подвижный контакт; 4 — дугогасительная камера; 5 — гибкий проводник (применяется для соединения подвижных частей автоматического выключателя); 6 — катушка электромагнитного расцепителя; 7 — сердечник электромагнитного расцепителя; 8 — тепловой расцепитель (биметалли́ческая пласти́на); 9 — механизм расцепителя; 10 — рукоятка управления; 11 — фиксатор (для крепления автомата на DIN-рейке).

Синими стрелками на рисунке показано направление протекания тока через автоматический выключатель.

Основными элементами автоматического выключателя являются электромагнитный и тепловой расцепители:

Электромагнитный расцепитель обеспечивает защиту электрической цепи от токов короткого замыкания. Он представляет из себя катушку (6) с находящимся в ее центре сердечником (7) который установлен на специальной пружине, ток в нормальном режиме работы проходя по катушке согласно закону электромагнитной индукции создает электромагнитное поле которое притягивает сердечник внутрь катушки, однако силы этого электромагнитного поля не хватает что бы преодолеть сопротивление пружины на которой установлен сердечник.

При коротком замыкании ток в электрической цепи мгновенно возрастает до величины в несколько раз превышающей номинальный ток автоматического выключателя, этот ток короткого замыкания проходя по катушке электромагнитного расцепителя увеличивает электромагнитное поле воздействующее на сердечник до такой величины, что его силы втягивания хватает на то что бы преодолеть сопротивление пружины, перемещаясь внутрь катушки сердечник размыкает подвижный контакт автоматического выключателя обесточивая цепь:

При коротком замыкании (т.е. при мгновенном возрастании тока в несколько раз) электромагнитный расцепитель отключает электрическую цепь за доли секунды.

Тепловой расцепитель обеспечивает защиту электрической цепи от токов перегрузки. Перегрузка может возникнуть при включении в сеть электрооборудования общей мощностью превышающей допустимую нагрузку данной сети, что в свою очередь может привести к перегреву проводов разрушению изоляции электропроводки и выходу ее из строя.

Тепловой расцепитель представляет из себя биметаллическую пластину (8). Биметаллическая пластина — эта пластина спаянная из двух пластин различных металлов (металл «А» и металл «В» на рисунке ниже) имеющих разный коэффициент расширения при нагреве.

При прохождении по биметаллической пластине тока превышающего номинальный ток автоматического выключателя пластина начинает нагреваться, при этом металл «B» имеет больший коэффициент расширения при нагреве, т.е. при нагреве он расширяется быстрее чем металл «A», что приводит к искривлению биметаллической пластины, искривляясь она воздействует на механизм расцепителя (9), который размыкает подвижный контакт (3).

Время срабатывания теплового расцепителя зависит от величины превышения тока электросети номинального тока автомата, чем больше это превышение тем быстрее сработает расцепитель.

Как правило тепловой расцепитель срабатывает при токах в 1,13-1,45 раз превышающих номинальный ток автоматического выключателя, при этом при токе превышающем номинальный в 1,45 раза тепловой расцепитель отключит автомат через 45мин — 1 час.

Время срабатывания автоматических выключателей определяется по их время-токовым характеристикам (ВТХ)

При любом отключении автоматического выключателя под нагрузкой на подвижном контакте (3) образуется электрическая дуга которая оказывает разрушающее воздействие на сам контакт, причем чем выше отключаемый ток, тем мощнее электрическая дуга и тем большее ее разрушающее возде йствие. Для сведения к минимуму ущерба от электрической дуги в автоматическом выключателе она направляется в дугогасительную камеру (4), которая состоит из отдельных, параллельно установленных пластин, попадая между этих пластин электрическая дуга дробится и затухает.

3. Маркировка и характеристики автоматических выключателей.

ВА47-29 — тип и серия автоматического выключателя

Номинальный ток — максимальный ток электрической сети при котором автоматический выключатель способен длительно работать без аварийного отключения цепи.

Стандартные значения номинальных токов автоматических выключателей: 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 — максимальное напряжение сети на которое рассчитан автоматический выключатель.

ПКС — предельная отключающая способность автоматического выключателя. Данная цифра показывает максимальный ток короткого замыкания который способен отключить данный автоматический выключатель сохранив при этом свою работоспособность.

В нашем случае ПКС указан 4500 А (Ампер), это значит что при токе короткого замыкания (к.з.) меньшем, либо равном 4500 А автоматический выключатель способен разомкнуть электрическую и остаться в исправном состоянии, в случае если ток к.з. превысит данную цифру возникает возможность оплавления подвижных контактов автомата и их привариванию друг к другу.

Характеристика срабатывания — определяет диапазон срабатывания электромагнитного расцепителя автоматического выключателя.

Например в нашем случае представлен автомат с характеристикой «C» его диапазон срабатывания от 5·I_н до 10·I_н включительно. (I_н— номинальный ток автомата), т.е. от 5*32=160А до 10*32+320, это значит что наш автомат обеспечит мгновенное отключение цепи уже при токах 160 — 320 А.

Характеристика срабатывания является одним из параметров время-токовых характеристик автоматических выключателей подробнее о которых читайте в статье: «Время-токовые характеристики (ВТХ) автоматических выключателей»

Примечание:

• Стандартными характеристиками срабатывания (предусмотренными ГОСТ Р 50345-2010) являются характеристики «B», «C» и «D»;
• Область применения указана в таблице согласно установившейся практике, однако она может быть иной в зависимости от индивидуальных параметров конкретных электрических сетей.

4. Выбор автоматического выключателя

Примечание: Полную методику расчета и выбора автоматических выключателей читайте в статье: «Расчет электрической сети и выбор аппаратов защиты»

Выбор автомата осуществляется по следующим критериям:

— По количеству полюсов: одно- и двухполюсные применяются для однофазной сети, трех- и четырехполюсные — в трехфазной сети.

— По номинальному напряжению: Номинальное напряжение автоматического выключателя должно быть больше либо равно номинальному напряжению защищаемой им цепи:

U_{ном. АВ}⩾ U_{ном. сети}

— По номинальному току: Определить необходимый номинальный ток автоматического выключателя можно одним из четырех следующих способов:

1. С помощью нашего калькулятора расчета автомата по мощности.
2. С помощью нашего калькулятора расчета автомата по сечению кабеля.
3. С помощью следующей таблицы:

1. Рассчитать самостоятельно по методике приведенной в статье: «Расчет электрической сети и выбор аппаратов защиты«

— Выбираем характеристику срабатывания: зачастую характеристику срабатывания автоматического выключателя выбирают исходя из назначения защищаемой им сети (согласно таблице характеристик срабатывания выше) однако автомат выбранный таким образом может не обеспечить своевременное отключение цепи при коротком замыкании, характеристику срабатывания необходимо определять по методике приведенной здесь.

Была ли Вам полезна данная статья? Или может быть у Вас остались вопросы? Пишите в комментариях!

Не нашли на сайте статьи на интересующую Вас тему касающуюся электрики? Напишите нам здесь. Мы обязательно Вам ответим.

Автоматический выключатель: принцип работы, классификация, конструкция, назначение

Автоматический выключатель (для защиты от сверхтока) (circuit-breaker) — это контактное коммутационное устройство, способное к включению, проведению и отключению электрических токов при нормальных условиях электрической цепи, а также способное к включению, проведению в течение установленного времени и автоматическому отключению электрических токов при установленных анормальных условиях электрической цепи, например при коротком замыкании (определение на основе ГОСТ IEC 60050-441-2015) [1]. Данный термин имеет среди обычных лиц популярный жаргонизм “автомат”.

Автоматический выключатель замыкает и размыкает электрические цепи при помощи собственных контактов. Поэтому его идентифицируют в качестве контактного коммутационного устройства.

Принцип работы

Харечко Ю.В. описывает в своей книге [5] принцип работы автоматического выключателя следующим образом:

« Автоматический выключатель замыкает и размыкает одну или несколько подключенных к нему электрических цепей с помощью своих главных контактов. Под замыканием понимают оперирование, в результате которого автоматический выключатель переводится из разомкнутого положения в замкнутое; под размыканием – из замкнутого положения в разомкнутое. »

Рис. 1. Пример внешнего вида автоматических выключателей (А – однополюсный автоматический выключатель серии S 200, Б – трехполюсный автоматический выключатель серии S 200 P)

« Замкнутое положение автоматического выключателя обеспечивает предопределенную непрерывность его главной цепи, разомкнутое положение – предопределенный зазор между разомкнутыми контактами главной цепи автоматического выключателя. »

« При коммутации электрических цепей автоматический выключатель выполняет включение и отключение, а также включение с последующим автоматическим отключением. »

« Замыкание и размыкание, выполняемые без протекания электрического тока в главной цепи автоматического выключателя, относят к его механическому оперированию, т. е. к оперированию автоматического выключателя в условиях отсутствия электрического тока в его главной цепи. »

« Включение и отключение, осуществляемые при протекании электрического тока в главной цепи автоматического выключателя, относят к электрическому оперированию, т. е. к оперированию автоматического выключателя в условиях протекания электрического тока в его главной цепи. Электрическое оперирование называют также коммутацией. »

« Автоматическое оперирование автоматического выключателя происходит при появлении в его главной цепи тока перегрузки или тока короткого замыкания. Время отключения сверхтока зависит от индивидуальной время-токовой характеристики автоматического выключателя, которая должна находиться в пределах стандартной время-токовой зоны. »

Классификация

Стандарт МЭК 60050‑441 и ГОСТ IEC 60050‑441-2015 определили несколько видов автоматических выключателей [1]:

• «токоограничивающий автоматический выключатель (current-limiting circuit-breaker): Автоматический выключатель с достаточно коротким временем отключения, чтобы предотвращать достижение током короткого замыкания своего иначе достижимого пикового значения»;
• «автоматический выключатель со встроенными плавкими предохранителями (integrally fused circuit-breaker): Комбинация в одном устройстве автоматического выключателя и плавких предохранителей, в которой последовательно с каждым полюсом автоматического выключателя, предназначенным для присоединения к фазному проводнику, установлен один плавкий предохранитель»;
• «автоматический выключатель с блокировкой замыкания (circuit-breaker with lock-out preventing closing): Автоматический выключатель, в котором ни один из подвижных контактов не может включить электрический ток, если команду на замыкание инициируют в то время, когда сохраняются условия, которые должны вызвать размыкание»;
• «автоматический выключатель в литом корпусе (moulded-case circuit-breaker): Автоматический выключатель, имеющий опорный корпус из литого изоляционного материала, составляющий неотъемлемую часть автоматического выключателя»;
• «автоматический выключатель с заземленным баком (dead tank circuit-breaker): Автоматический выключатель, главные контакты которого расположены в заземленном металлическом баке»;
• «автоматический выключатель с баком, находящимся под напряжением (live tank circuit-breaker): Автоматический выключатель, главные контакты которого расположены в баке, изолированном от земли»;
• «воздушный автоматический выключатель (air circuit-breaker): Автоматический выключатель, контакты которого размыкаются и замыкаются в воздухе при атмосферном давлении»;
• «масляный автоматический выключатель (oil circuit-breaker): Автоматический выключатель, контакты которого размыкаются и замыкаются в масле»;
• «вакуумный автоматический выключатель (vacuum circuit-breaker): Автоматический выключатель, контакты которого размыкаются и замыкаются в оболочке с высоким вакуумом»;
• «автоматический выключатель с газовым дутьем (gas-blast circuit-breaker): Автоматический выключатель, в котором электрическая дуга образуется в потоке газа»;
• «элегазовый автоматический выключатель (sulphur hexafluoride circuit-breaker, SF6 circuit-breaker): Автоматический выключатель, контакты которого размыкаются и замыкаются в гексафториде серы (элегазе)»;
• «автоматический выключатель с воздушным дутьем (air-blast circuit-breaker): Автоматический выключатель с газовым дутьем, в котором используемым газом является воздух».

Автоматические выключатели, которые применяют в электроустановках зданий, обычно представляют собой воздушные автоматические выключатели в литом корпусе. Некоторые автоматические выключатели являются токоограничивающими автоматическими выключателями. Иногда используют автоматические выключатели со встроенными плавкими предохранителями.

В стандарте МЭК 60898‑1 и ГОСТ IEC 60898-1-2020 [2] установлена следующая классификация автоматических выключателей по типу выводов:

автоматические выключатели с выводами резьбового типа для внешних медных проводников;
автоматические выключатели с выводами безрезьбового типа для внешних медных проводников;
автоматические выключатели с плоскими выводами быстрого соединения для внешних медных проводников;
автоматические выключатели с выводами резьбового типа для внешних алюминиевых проводников.

По способу крепления стандарт МЭК 60898‑1 и ГОСТ IEC 60898-1-2020 [2] следующим образом классифицируют автоматические выключатели:

автоматические выключатели, электрическое присоединение которых не связано с механическим креплением;
автоматические выключатели, электрическое присоединение которых связано с механическим креплением, например: автоматические выключатели втычного типа, болтового типа и ввинчиваемого типа.

В стандарте МЭК 60898‑1 и ГОСТ IEC 60898-1-2020 [2] установлена следующая классификация автоматических выключателей по числу полюсов:

однополюсные автоматические выключатели;
двухполюсные автоматические выключатели с одним защищенным полюсом;
двухполюсные автоматические выключатели с двумя защищенными полюсами;
трехполюсные автоматические выключатели с тремя защищенными полюсами;
четырехполюсные автоматические выключатели с тремя защищенными полюсами;
четырехполюсные автоматические выключатели с четырьмя защищенными полюсами.

В стандарте МЭК 60898‑2 и ГОСТ IEC 60898-2-2011 [3] для универсальных автоматических выключателей установлена иная их классификация по числу полюсов:

однополюсные автоматические выключатели;
двухполюсные автоматические выключатели с двумя защищенными полюсами.

Назначение и требования

Харечко Ю.В. в своем словаре [5] акцентирует внимание на том, что:

« Основным предназначением автоматического выключателя, как следует из требований стандарта МЭК 60364‑4‑43 и разработанного на его основе ГОСТ Р 50571.4.43, является защита от сверхтока проводников электрических цепей в электроустановке здания с целью обеспечения электрической и пожарной безопасности. Автоматический выключатель должен продолжительное время проводить без отключения любой электрический ток, величина которого не превышает его номинальный ток, и своевременно отключать электрические цепи при появлении в них тока перегрузки или тока короткого замыкания. »

[5]

« При типах заземления системы TN‑C, TN‑S и TN‑C‑S автоматический выключатель можно также использовать для осуществления защиты от поражения электрическим током в составе такой меры защиты, как автоматическое отключение питания. Основные требования к автоматическому отключению питания в электроустановках зданий изложены в разделах 411 «Защитная мера − автоматическое отключение питания» стандарта МЭК 60364‑4‑41 и разработанного на его основе ГОСТ Р 50571.3. В главе 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» Правил устройства электроустановок седьмого издания изложены устаревшие требования к обеспечению защиты от поражения электрическим током, переписанные из ранее действовавшего ГОСТ Р 50571.3–94. В главе 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» Правил устройства электроустановок седьмого издания изложены устаревшие требования к обеспечению защиты от поражения электрическим током, переписанные из ранее действовавшего ГОСТ Р 50571.3–94. »

Международные требования к автоматическим выключателям не бытового назначения изложены в стандарте МЭК 60947‑2, который применяют в совокупности со стандартом МЭК 60947‑1. Национальные требования к ним содержатся в ГОСТ Р 50030.2-2010, который применяют совместно с ГОСТ IEC 60947-1-2017.

Стандарт МЭК 60947‑1 и ГОСТ IEC 60947‑1-2017 предназначены для согласования требований и рекомендаций общего характера, относящихся к низковольтной коммутационной аппаратуре и аппаратуре управления, с целью их унификации в соответствующих классах устройств и устранения необходимости испытаний по различным стандартам. В обоих стандартах изложены требования и рекомендации, которые являются общими для низковольтной коммутационной аппаратуры и аппаратуры управления, предназначенной для эксплуатации в электрических цепях переменного тока напряжением до 1000 В и постоянного тока – до 1500 В включительно. Требования этих стандартов применяют совместно с требованиями других стандартов, входящих в состав комплексов МЭК 60947 «Низковольтная коммутационная аппаратура и аппаратура управления», ГОСТ IEC 60947 и ГОСТ Р 50030.

Стандарт МЭК 60947‑2 и ГОСТ Р 50030.2 распространяются на автоматические выключатели, предназначенные для работы в электрических цепях переменного тока напряжением до 1000 В и постоянного тока – до 1500 В включительно. Такие автоматические выключатели могут иметь любые номинальные токи, различные конструкции и способы применения. Стандарты также содержат дополнительные требования к автоматическим выключателям со встроенными плавкими предохранителями.

Указанные автоматические выключатели применяют в низковольтных распределительных устройствах, установленных в различных сооружениях, на трансформаторных подстанциях, в распределительных пунктах и др. Эти автоматические выключатели используют также во вводно-распределительных устройствах, во вводных устройствах, в главных распределительных щитах и других низковольтных распределительных устройствах электроустановок жилых, общественных, производственных и других зданий.

Международные требования к автоматическим выключателям для электрического оборудования (АВО), которые специально предназначены для защиты электрических цепей в электрооборудовании, изложены в стандарте МЭК 60934. Национальные требования к этим автоматическим выключателям содержатся в ГОСТ IEC 60934-2015. Эти автоматические выключатели применяют в цепях электрического оборудования переменного тока, имеющих напряжение до 440 В, и постоянного тока при напряжении до 250 В включительно. Номинальный ток АВО не может быть более 125 А.

Международные требования к автоматическим выключателям бытового назначения, предназначенным для применения в электроустановках зданий, изложены в стандартах МЭК 60898‑1 и МЭК 60898‑2. Национальные требования к ним содержатся в ГОСТ IEC 60898-1-2020 и ГОСТ IEC 60898-2-2011.

В стандарте ГОСТ IEC 60898-1-2020 приведены требования к воздушным автоматическим выключателям, контакты которых замыкаются и размыкаются в воздухе при атмосферном давлении. Автоматические выключатели предназначены для работы в электрических цепях переменного тока частотой 50 и (или) 60 Гц. Они должны иметь номинальное напряжение не выше 440 В, номинальный ток – до 125 А и номинальную коммутационную способность при коротком замыкании – не более 25000 А.

Автоматические выключатели бытового и аналогичного назначения предназначены для использования обычными лицами и не нуждаются в обслуживании. Эти автоматические выключатели могут иметь одно или несколько значений номинального тока. Однако механизм, с помощью которого в автоматическом выключателе осуществляют переход от одного значения номинального тока к другому, в нормальных условиях эксплуатации должен быть недоступным потребителю, а само переключение должно быть возможным только при помощи инструмента.

Автоматические выключатели, номинальный ток которых регулируют средствами, доступными потребителю, а также автоматические выключатели, предназначенные для защиты электродвигателей, не рассматривают в стандарте МЭК 60898‑1 и ГОСТ IEC 60898-1-2020.

С помощью автоматических выключателей, конструкция которых соответствует требованиям стандарта МЭК 60898‑1 и ГОСТ IEC 60898-1-2020, в электроустановках зданий можно реализовать функцию разъединения. То есть автоматические выключатели бытового назначения могут быть использованы в качестве разъединителей.

Стандарт МЭК 60898‑2 и ГОСТ IEC 60898-2-2011 устанавливают дополнительные требования к однополюсным и двухполюсным автоматическим выключателям1, предназначенным для использования также в электрических цепях постоянного тока и имеющим номинальное напряжение до 220 В (однополюсные) и до 440 В (двухполюсные), номинальный ток до 125 А и номинальную коммутационную способность при коротком замыкании (для постоянного тока) до 10000 А включительно.

Конструкция

Рассмотрим более подробно конструкцию автоматических выключателей бытового назначения, которые производят в соответствии с требованиям стандартов МЭК 60898‑1 и МЭК 60898‑2, ГОСТ IEC 60898-1-2020 и ГОСТ IEC 60898-2-2011.

Большая часть информации, которую вы прочитаете ниже основана на материалах из книги Ю.В. Харечко [5].

Харечко Ю.В. описывает конструкцию автоматического выключателя следующим образом:

« Автоматический выключатель имеет главную цепь и может иметь цепь управления и вспомогательную цепь.

Главная цепь объединяет все проводящие части автоматического выключателя, включенные в электрическую цепь, которую он предназначен замыкать и размыкать.

Рис. 2. Конструкция однополюсного автоматического выключателя серии S 200 (рисунок заимствован из книги [4] автора Харечко Ю.В.)

На рисунке 2 обозначено:

• 1 – орган управления;
• 2 – выводы;
• 3 – главный контакт;
• 4 – дугогасительная камера;
• 5 – тепловой расцепитель перегрузки (разновидность расцепителя сверхтока);
• 6 – электромагнитный расцепитель короткого замыкания

Цепь управления автоматического выключателя предназначена для осуществления его замыкания и размыкания или выполнения обоих оперирований. Эта цепь включает в себя проводящие части автоматического выключателя, применяемые для его управления, за исключением тех частей, которые входят в состав главной цепи автоматического выключателя.

Вспомогательная цепь объединяет все проводящие части автоматического выключателя, предназначенные для включения в электрическую цепь, используемую, например, для дистанционной индикации его коммутационного положения. К этой цепи не относят проводящие части автоматического выключателя, которые входят в состав его главной цепи и цепи управления.

Для оснащения автоматического выключателя цепью управления и вспомогательной цепью к нему следует прикрепить одно или несколько дополнительных устройств, таких, например, как блок-контакт, независимый расцепитель и расцепитель минимального напряжения.

Блок-контакт представляет собой выключатель с одним или несколькими контактами управления и (или) вспомогательными контактами, который механически приводится в действие автоматическим выключателем. Для автоматических выключателей выпускают блок-контакт положения (БКП), предназначенный для указания коммутационного положения автоматического выключателя, и блок-контакт срабатывания (БКС), предназначенный для указания срабатывания автоматического выключателя.

При замыкании главных контактов автоматического выключателя замыкающие контакты БКП замыкаются, а размыкающие контакты – размыкаются. При размыкании автоматическим выключателем своих главных контактов из-за появления в его главной цепи сверхтока, под воздействием независимого расцепителя или расцепителя минимального напряжения, а также при ручном управлении автоматическим выключателем замыкающие контакты БКП размыкаются, а размыкающие контакты – замыкаются.

Применение блок-контактов положения во вспомогательных цепях автоматических выключателей позволяет выполнить в электроустановке здания систему сигнализации и контроля их коммутационного положения. Кроме того, БКП могут быть использованы в цепях управления других коммутационных устройств, которые применяют в одной электроустановке здания.

При замыкании главных контактов автоматического выключателя замыкающие контакты БКС замыкаются, а размыкающие контакты БКС размыкаются. В исходное положение контакты БКС возвращаются в двух случаях: при размыкании автоматическим выключателем своих главных контактов из-за появления в его главной цепи сверхтока и при отключении автоматического выключателя с помощью независимого расцепителя или расцепителя минимального напряжения. При ручном отключении автоматического выключателя контакты БКС не меняют своего коммутационного положения. Блок-контакты срабатывания, как правило, используют во вспомогательных цепях для сигнализации об отключении автоматическим выключателем сверхтока, но их можно применять и в цепях управления других коммутационных устройств, установленных в электроустановке здания.

Независимый расцепитель и расцепитель минимального напряжения применяют для управления автоматическим выключателем.

Главная цепь автоматического выключателя состоит из одного, двух, трех или четырех полюсов. Под полюсом понимают часть автоматического выключателя, связанную исключительно с одним электрически независимым проводящим путем его главной цепи, оснащенную контактами, предназначенными замыкать и размыкать главную цепь, исключая те части, которые обеспечивают средства для монтажа и совместного оперирования всеми полюсами.

Наиболее широкое применение в электроустановках зданий получили однополюсные автоматические выключатели, предназначенные для использования в однофазных двухпроводных электрических цепях, и трехполюсные автоматические выключатели, которые используют в трехфазных трехпроводных и четырехпроводных электрических цепях. В однофазных двухпроводных и трехфазных четырехпроводных электрических цепях применят также соответственно двухполюсные и четырехполюсные автоматические выключатели.

Для выполнения функции по защите от сверхтока автоматический выключатель оснащают защищенными полюсами. Оставшийся полюс автоматического выключателя, если таковой имеется, может быть незащищенным полюсом или коммутирующим нейтральным полюсом.

Защищенный полюс оснащен расцепителем сверхтока. Незащищенный полюс не имеет расцепителя сверхтока, но во всем остальном он способен к той же самой работе, как защищенный полюс того же самого автоматического выключателя. Коммутирующий нейтральный полюс предназначен коммутировать электрическую цепь нейтрального проводника, но не предназначен иметь коммутационную способность при коротком замыкании.

В главной цепи каждого полюса автоматического выключателя имеются главные контакты. Главный контакт представляет собой контакт, включенный в главную цепь автоматического выключателя и предназначенный для проведения в замкнутом положении электрического тока, протекающего в его главной цепи.

При размыкании главной цепи автоматического выключателя, по которой протекает электрический ток (особенно – сверхток), возможно возникновение электрических дуг между разъединяемыми частями главных контактов. Поэтому автоматические выключатели оснащают дуговыми контактами, на которых предполагается возникновение электрической дуги.

Дуговой контакт обычно является главным контактом. Он имеет специальную конструкцию проводящих частей, которая обеспечивает перемещение электрической дуги в дугогасительную камеру, где она разбивается металлическими пластинами на несколько частей и интенсивно гасится.

В многополюсном автоматическом выключателе подвижные контакты всех полюсов (за исключением коммутирующего нейтрального полюса) должны замыкать и размыкать главную цепь практически одновременно как при автоматическом, так и при ручном оперировании. Контакты коммутирующего нейтрального полюса должны размыкаться позже, а замыкаться раньше контактов остальных полюсов автоматического выключателя.

В цепи управления автоматического выключателя имеются контакты управления, которые механически приводятся в действие этим же автоматическим выключателем. Вспомогательные контакты, если их используют, входят в состав вспомогательной цепи автоматического выключателя и механически приводятся в действие этим же автоматическим выключателем.

Каждый автоматический выключатель оснащают одним или несколькими расцепителями, которые предназначены для инициирования:

автоматического размыкания главных контактов в случае появления сверхтока в главной цепи автоматического выключателя;
автоматического размыкания автоматического выключателя при снижении напряжения или изменении других характеристик подключенных к нему электрических цепей и электрооборудования;
дистанционного отключения автоматического выключателя.

Расцепитель представляет собой устройство, механически связанное с автоматическим выключателем или встроенное в него, которое освобождает удерживающее приспособление в механизме автоматического выключателя и инициирует его автоматическое размыкание. Для выполнения автоматическими выключателями функций по защите от сверхтока их оснащают расцепителями сверхтока. Автоматические выключатели могут быть оснащены независимыми расцепителями и расцепителями минимального напряжения.

Независимый расцепитель представляет собой расцепитель, возбуждаемый источником напряжения. Он предназначен для дистанционного управления автоматическим выключателем. Его используют в тех случаях, когда существует потребность в дистанционном отключении каких-то электрических цепей с помощью автоматических выключателей.

После подачи напряжения на цепь управления независимого расцепителя его электромагнитный механизм воздействует на удерживающее приспособление автоматического выключателя, инициируя размыкание контактов его главной цепи. Управляющий сигнал для независимого расцепителя может быть сформирован вручную, например, посредством кнопочного выключателя с замыкающим контактом. Сигнал управления также может быть сгенерирован каким-либо коммутационным или электронным устройством по факту выполнения каких-то предопределенных условий, например, таймером при наступлении установленного часа.

Включение автоматического выключателя после осуществления его дистанционного отключения с помощью независимого расцепителя производят вручную.

Расцепитель минимального напряжения представляет собой расцепитель, инициирующий размыкание автоматического выключателя с выдержкой времени или без нее, когда напряжение на выводах расцепителя снижается ниже предопределенного значения. Основным его назначением является побуждение автоматического выключателя к отключению электрооборудования при недопустимом для него снижении напряжения. Расцепитель минимального напряжения обычно вызывает отключение автоматического выключателя при снижении напряжения в своей цепи управления до 75% от его номинального значения (например, равного 230 В переменного тока) и менее, а также препятствует включению автоматического выключателя, если напряжение в этой цепи меньше 85% от номинального напряжения.

Каждый автоматический включатель имеет механизм свободного расцепления, который обеспечивает размыкание главных контактов в момент включения автоматического выключателя, если в его главной цепи начинает протекать ток перегрузки или ток короткого замыкания.

Этот механизм позволяет осуществлять отключение автоматическим выключателем сверхтока в тот момент, когда выполняют его ручное управление. Например, при ручном оперировании автоматическим выключателем на включение электрической цепи, в которой имеется короткое замыкание, по замыканию главных контактов через главную цепь автоматического выключателя начнет протекать ток короткого замыкания. Под его воздействием расцепитель сверхтока освободит удерживающее приспособление в механизме автоматического выключателя. Главные контакты автоматического выключателя станут автоматически размыкаться, несмотря на то, что в рассматриваемый промежуток времени еще продолжается ручное управление на их замыкание.

В каждом автоматическом выключателе предусмотрена индикация его коммутационного положения, которая позволяет определить, в каком положении (замкнутом или разомкнутом) находятся его главные контакты. С этой целью автоматический выключатель может быть оснащен индикатором положения. В противном случае коммутационное положение автоматического выключателя указывает орган управления, который должен иметь два четко различающихся состояния покоя, соответствующих замкнутому и разомкнутому положению его главных контактов.

При автоматическом срабатывании автоматического выключателя из-за появления сверхтока в его главной цепи орган управления автоматического выключателя может занимать отдельное, третье положение. Орган управления вертикально установленного автоматического выключателя обычно перемещается вверх-вниз. При его перемещении вверх главные контакты автоматического выключателя замыкаются, а при перемещении органа управления вниз они размыкаются. Замкнутое положение автоматического выключателя обозначают знаком I (вертикальной чертой), разомкнутое положение – знаком О (окружностью).

Для электрического присоединения автоматического выключателя к проводникам внешних электрических цепей используют выводы, которые могут быть выводами резьбового типа и выводами безрезьбового типа. Обычно автоматические выключатели оснащают резьбовыми выводами: столбчатыми, винтовыми, штифтовыми, пластинчатыми, реже – выводами для наконечников. Наиболее распространенным видом выводов у современных автоматических выключателей является столбчатый вывод, в отверстие или полость которого вставляют проводник и зажимают его одним или несколькими винтами. Некоторые фирмы начинают производить автоматические выключатели, оснащенные выводами безрезьбового типа. »

Модульные автоматические выключатели. Устройство и принцип работы

Модульные автоматические выключатели (далее автоматы) нашли широкое применение в различных электроустановках, от промышленных до бытовых, благодаря своей компактности, простоте конструкции (следовательно надёжности) и невысокой стоимости. Производители выпускают достаточно широкую линейку модульных автоматов с различным числом полюсов (от 1-го до 4-х) на различные номинальные токи, до 125А включительно. Модульными их называют потому, что производятся они в виде одинаковых, по габаритным размерам и принципу устройства, однополюсных модулей, из которых собираются 2-х, 3-х и 4-х полюсные автоматы (т.е. многополюсные автоматы не имеют цельного корпуса, а состоят из соответствующего количества однополюсных модулей). Ширина модуля стандартизирована и равна 17,5 мм. Некоторые модели автоматов имеют ширину корпуса большую, чем ширина стандартного модуля, но, как правило, производители стремятся соблюдать кратность стандартной ширины, что облегчает проектирование внутренней компоновки щитов и шкафов. Кратность при этом может быть дробной с шагом 0,5, например, 1,5, что означает ширину корпуса равную 26,25 мм (на практике 26,5 мм, что несущественно):

Увеличенная ширина корпуса обусловлена, в первую очередь, повышенной отключающей способностью таких автоматов.
Независимо от номинального тока, на который рассчитан автомат, от его отключающей способности, время-токовой характеристики, а так же рода тока (переменный или постоянный), принцип его работы и принцип устройства его узлов одинаков. Все вышеперечисленные параметры определяются конструктивными особенностями отдельных функциональных узлов автомата, которые не оказывают никакого влияния на сам принцип их работы. Фото ниже демонстрирует сказанное:

У представленных автоматов конструктивно отличаются лишь электромагниты (разное число витков и сечение провода), тепловая защита (биметаллическая пластина), устройство гашения дуги (форма дугогасительной камеры, дугогасительная решётка, взаимное расположение проводящих элементов). Остальные элементы конструкции автомата идентичны друг другу, что позволяет существенно упростить (удешевить) их производство за счёт унификации отдельных узлов и деталей.

В модульных автоматах одновременно реализовано два вида защиты: тепловая и электромагнитная.

Тепловая защита (её принято называть тепловым расцепителем) выполнена на биметаллической пластине:

Её свойства таковы, что при нагреве, за счёт разного коэффициента линейного расширения входящих в неё металлов, одна сторона пластины удлиняется больше чем другая. Как следствие, это приводит к её изгибу. Изгиб тем больше, чем выше степень нагрева пластины. Поскольку один конец пластины жёстко зафиксирован, то благодаря тому, что другой конец пластины свободен, при достаточной степени изгиба, она способна воздействовать посредством подвижной скобы на механизм расцепителя:

Нагрев биметаллической пластины обусловлен током, который протекает либо непосредственно через неё, либо, как в случае на фото выше, через опоясывающий её змеевидный проводник. Тем самым подчеркнём, что, несмотря на то, что именно электрический ток вызывает нагрев пластины, степень её нагрева определяется не только величиной тока, но и теплообменом с окружающей средой, и временем, в течение которого протекает этот ток. Очевидно, что часть тепла пластина успевает отдавать в окружающее пространство и скорость теплообмена тем выше, чем больше разница температур окружающей среды и самой пластины. Т.е., при одной и той же величине тока, но при различной температуре окружающей среды, за один и тот же промежуток времени, пластина получит неодинаковую степень нагрева, а следовательно, и степень изгиба. Или, для того чтобы пластина одним и тем же током, но при различной температуре окружающей среды получила одинаковую степень изгиба (например, такую, при которой сможет оказать воздействие на механизм расцепителя), потребуется разное время, однако, при определённых величинах тока и температуры, этого может вовсе не случиться. В качестве аналогии можно представить процесс кипячения воды на морозе, если мощность, скажем кипятильника, недостаточна, вода не закипит никогда, хотя и будет продолжать греться. В связи с этими обстоятельствами, производители оговаривают, что тепловой расцепитель рассчитан на определённый номинальный ток при том условии, что температура окружающей среды равна 30С (иногда эта цифра может быть иной и поэтому всегда будет не лишним посмотреть техническую документации на конкретную модель). Кроме того, из-за разброса различных параметров элементов теплового расцепителя при их производстве, невозможно получить тепловые расцепители с абсолютно одинаковыми характеристиками их работы и, для более точной подстройки, на производстве используют винт юстировки, с помощью которого возможно в некоторой степени сузить разброс, но не свести его к нулю.

На основании изложенного можно сделать вывод:

работа теплового расцепителя зависит от температуры окружающей среды и может иметь достаточно продолжительное время реакции с момента возникновения тока, превышающего номинальный, до момента срабатывания механизма расцепления, от секунд до десятков минут, в зависимости от величины этого тока.

Электромагнитная защита (её принято называть электромагнитным расцепителем или мгновенным расцепителем) реализована с помощью катушки с подпружиненным сердечником:

Известно, что вокруг катушки с током возникает магнитное поле. Под действием сил этого поля сердечник, преодолевая усилие сжатия пружины, втягивается внутрь катушки. Величина смещения сердечника внутрь катушки зависит от упругости пружины и сил магнитного поля, которые, в свою очередь, зависят от количества витков катушки, наличия или отсутствия магнитопровода, усиливающего магнитное поле, и силы тока, протекающего через катушку. Т.е., при определённой величине сил магнитного поля (когда протекающий через катушку ток достиг расчётного значения срабатывания), сердечник втянется настолько, что сможет оказать воздействие на механизм расцепления и он сработает. Скорость втягивания сердечника также зависит от силы тока, но всегда достаточно высока настолько, что в большинстве случаев недоступна для наблюдения человеческим глазом.
Из сказанного можно сделать следующий вывод:

работа электромагнитного расцепителя не зависит от температуры окружающей среды, зависит только от величины, протекающего через него, тока и имеет незначительное время реакции (доли секунд) с момента возникновения тока отключения до момента срабатывания механизма расцепления, именно поэтому его также называют мгновенным расцепителем.

Механизм расцепителя сконструирован таким образом, что при переводе ручки автомата в положение ВКЛ, подвижные части механизма сцепляют подвижный контакт с неподвижным, замыкая электрическую цепь, и одновременно взводят пружину расцепителя. В таком взведенном состоянии расцепитель находится до тех пор, пока не получит спускового воздействия от любого из следующих источников: сердечник электромагнита (мгновенный расцепитель), биметаллическая пластина (тепловой расцепитель), ручка автомата (при переводе её в положение ВЫКЛ), внешнее, по отношению к корпусу автомата, воздействие. Под внешним воздействием подразумевается, в первую очередь, случай многополюсных автоматов. При сборке многополюсных автоматов, не только фиксируют между собой корпуса однополюсных модулей, но и соединяют общей скобой или штифтом ручки автоматов, а также, через отверстия в корпусе, устанавливают специальные штифты, планки или скобы, для передачи спускового воздействия от любого из сработавших модулей остальным:

Т.е. при срабатывании расцепителя одного из однополюсных модулей, входящих в состав многополюсного автомата, посредством такой скобы, спусковое воздействие передаётся на другие модули многополюсного автомата, что гарантирует его надёжное срабатывание, как единого целого.

Здесь можно сделать ещё один важный вывод:

самостоятельно собрать из однополюсных автоматов надёжно работающий многополюсный, не имея соответствующих комплектующих и понимания тонкостей устройства конкретной модели автомата, невозможно! Заклеивание, заматывание и любые другие способы фиксации ручки автомата в положении ВКЛ ничего не дают – механизм расцепителя, при возникновении аварийной ситуации, сработает в любом случае!

Для тех, кому любопытно, фото деталей механизма расцепителя:

Обобщая сказанное, работу автомата можно представить следующим образом (см. все фото выше). При переводе ручки автомата в положение ВКЛ взводится пружина расцепителя и сцепляются подвижный и неподвижный контакты, образуя замкнутую цепь (если, конечно, автомат подключен к сети, а к автомату подключены потребители). Через автомат, по цепи: винтовой зажим, соединённый с тепловым расцепителем – тепловой расцепитель – гибкий проводник – подвижный контакт – неподвижный контакт – электромагнитный расцепитель – винтовой зажим, соединённый с электромагнитным расцепителем (или в обратном направлении, безразлично), начинает протекать электрический ток. При возникновении любого, из перечисленных выше, спускового воздействия, энергия, запасённая взведённой пружиной расцепителя, высвобождается, возвращая весь механизм в исходное состояние и расцепляет подвижный и неподвижный контакты, разрывая, тем самым, электрическую цепь. Но на этом работа автомата не закончена!

Дело в том, что при разрыве электрической цепи с током, между подвижным и неподвижным контактами, ещё в момент начала их расцепления, возникает электрическая дуга. И несмотря на то, что, когда подвижный контакт полностью отойдёт в исходное положение и между подвижным и неподвижным контактами будет полностью отсутствовать металлическая связь (а будет всего лишь воздушный зазор), дуга продолжит горение. И задача автомата, как можно скорее погасить дугу, порождающую своим существованием два вредных фактора.

Первый. Ток, в защищаемой автоматом цепи (а значит, и через нагрузку или место повреждения, например, при КЗ), продолжает протекать до тех пор, пока горит дуга.
Второй. Температура горения дуги достаточно высока, что негативным образом сказывается на целостности автомата и возможности его дальнейшего применения.

Устройство гашения дуги состоит из дугогасительной камеры, дугогасительной решётки, проводящих частей, показанных на предыдущих фото и имеющих красиво изогнутую форму (форма этих элементов подобрана вовсе не ради красоты), а также специальных вкладышей, размещённых на боковых стенках камеры и защищающих эти стенки от прогорания в результате термического действия дуги. Так же, в корпусе автомата предусмотрены отверстия для отвода газов, образующихся во время горения дуги.
Дугу, в некотором приближении, можно представить в виде очень лёгкого нитиевидного проводника с током, который очень легко деформируется и перемещается (приводится в движение в пространстве) под воздействием магнитных сил. Поскольку вокруг любого проводника с током образуется магнитное поле, то, очевидно, эти поля взаимодействуют друг с другом. При этом, направление результирующей силы такого взаимодействия определяется векторным сложением направлений магнитных сил от каждого проводника в отдельности и, разумеется, зависит от взаимной ориентации (геометрии) проводников. Т.е., ток в красиво изогнутых проводящих частях устройства гашения дуги, создаёт, при взаимодействии с магнитным полем тока дуги, такое результирующее направление магнитных сил, которое заставляет дугу двигаться в направлении дугогасительной решётки. Под действием этой результирующей магнитной силы, дуга, с большим ускорением, как бы сдувается в сторону дугогасительной решётки (т.н. метод «магнитного дутья»). Во время ускоренного движения частично охлаждается, теряя энергию. Вблизи решётки также возникают дополнительные магнитные силы (обусловленные специальной формой пластин решётки), которые втягивают дугу внутрь, где она разбивается пластинами решётки на множество маленьких дуг, очень быстро теряющих свою энергию и, в следствие чего, угасающих:

На этом, можно считать, что автомат полностью разорвал электрическую цепь и выполнил свою функцию.
Стоит отметить, что конструкция дугогасительных решёток автоматов, предназначенных для разных родов тока (постоянный или переменный), различна:

Также различны конструкции проводников устройства гашения дуги (см. второе фото в начале статьи) и в конструкцию автомата для постоянного тока добавлен магнит. Связано это, конечно же, с тем, что постоянный ток не изменяет своего направления. Поэтому формирование направления сил «магнитного дутья» иное. В связи с чем, можно сделать вывод:

максимальная эффективность гашения дуги постоянного или переменного тока достигается только при использовании соответствующего автомата, рассчитанного для работы именно с определённым родом тока.

В заключение, можно добавить, что на наш взгляд, визуальная оценка качества автоматов, заключающаяся только лишь в прочтении названия бренда, определении «на зуб» материалов, из которых он изготовлен, или по принципу «аккуратно\ не аккуратно собран» – это совершенная профанация. Понастоящему оценить качество, с некоторой долей ответственности, не вызывающей сомнений, возможно лишь с помощью специальных приборов. Или на основе долгосрочной статистики, которая, впрочем, мало что даёт, так как даже самые дешёвые производители постоянно вносят изменения в свою продукцию. Для разнообразия фото всеми нелюбимого ИЭК, как говорится, найдите десять отличий�� :