Принцип работы автоматического выключателя

Особенности работы автоматов защиты сети

К какому бы классу ни относился автоматический выключатель или автомат, его главная задача всегда одна – быстро определить появление чрезмерного тока, и обесточить сеть раньше, чем будет поврежден кабель и подключенные к линии устройства.

Токи, которые могут представлять опасность для сети, подразделяются на два вида:

• Токи перегрузки. Их появление чаще всего происходит из-за включения в сеть приборов, суммарная мощность которых превышает ту, что линия способна выдержать. Другая причина перегрузки – неисправность одного или нескольких устройств.
• Сверхтоки, вызванные КЗ. Короткое замыкание происходит при соединении между собой фазного и нейтрального проводников. В нормальном состоянии они подключены к нагрузке по отдельности.

Токи перегрузки

Величина их чаще всего незначительно превышает номинал автомата, поэтому прохождение такого электротока по цепи, если оно не затянулось слишком надолго, не вызывает повреждения линии. В связи с этим мгновенного обесточивания в таком случае не требуется, к тому же нередко величина потока электронов быстро приходит в норму. Каждый АВ рассчитан на определенное превышение силы электротока, при котором он срабатывает.

За отключение питания под воздействием мощной нагрузки отвечает тепловой расцепитель, основой которого является биметаллическая пластина.

Этот элемент нагревается под воздействием мощного тока, становится пластичным, изгибается и вызывает срабатывание автомата.

Токи короткого замыкания

Поток электронов, вызванный КЗ, значительно превосходит номинал устройства защиты, в результате чего последнее немедленно срабатывает, отключая питание. За обнаружение КЗ и немедленную реакцию аппарата отвечает электромагнитный расцепитель, представляющий собой соленоид с сердечником. Последний под воздействием сверхтока мгновенно воздействует на отключатель, вызывая его срабатывание. Этот процесс занимает доли секунды.

Однако существует один нюанс. Иногда ток перегрузки может также быть очень большим, но при этом не вызванным КЗ. Как же аппарат должен определить различие между ними?

На видео про селективность автоматических выключателей:

Здесь мы плавно переходим к основному вопросу, которому посвящен наш материал. Существует, как мы уже говорили, несколько классов АВ, различающихся по времятоковой характеристике. Наиболее распространенными из них, которые применяются в бытовых электросетях, являются устройства классов B, C и D. Автоматические выключатели, относящиеся к категории A, встречаются значительно реже. Они наиболее чувствительны и используются для защиты высокоточных аппаратов.

Между собой эти устройства различаются по току мгновенного расцепления. Его величина определяется кратностью тока, проходящего по цепи, к номиналу автомата.

Выбор автоматического выключателя. ВТХ

Прежде всего существуют различные время-токовые характеристики (ВТХ) автоматических выключателей.

Время токовые характеристики автоматических выключателей B C D.

Если рассмотреть вопрос более обобщённо, то можно выделить, несколько основных характеристик: B, С, D. В свою очередь, данные характеристики определяют при какой величине тока, автомат отключится мгновенно. Параметры отключения для характеристик B, С, D:

1. B — от 3 до 5 ×In;
2. C — от 5 до 10 ×In;
3. D — от 10 до 20 ×In.

In — это номинальный ток автоматического выключателя. То есть мы берём номинальный ток автомата, например 16А и получаем следующие данные:

1. Автоматический выключатель с характеристикой B16 отключится мгновенно при величине тока от 48 до 80 А;
2. Автомат с характеристикой С16 отключится мгновенно при токе от 80 до 160 А;
3. Автомат с характеристикой D16 отключится мгновенно при токе от 160 до 320 А.

Стоит отметить, что автоматические устройства с характеристикой D используются в основном в промышленности. Например, в бытовых сетях используются в основном устройства с характеристикой B и С.

Автоматы с характеристикой С используются для обеспечения защиты групповых линий и отдельных устройств с большим пусковым током. Автоматы с характеристикой B в основном используются для реализации защиты линий освещения и устройств с низким пусковым током.

Селективность автоматических выключателей

Несомненно, при выборе устройства автоматического отключения важно уделить внимание такому параметру, как селективность. Под селективностью подразумевается такое техническое решение, при котором в случае неисправности отключается непосредственно неисправная линия, а не к примеру групповая линия.

Как правило, селективность реализуется двумя способами:

1. Выбор номинального тока автоматического выключателя;
2. выбор характеристики автоматического выключателя;

Характеристики автоматических выключателей.

Для групповых линий следует выбирать автоматы с характеристикой С и с большим номинальным током (расчётным током в групповой линии). Для питающей линии одной нагрузки следует выбирать автоматы с характеристиками B и С, при этом если нагрузка имеет низкий пусковой ток, то следует выбрать устройство с характеристикой B.

Выбор автоматического выключателя. Полюсы автоматов.

Как известно, в зависимости от напряжения в сети, для защиты устройств и питающих кабелей могут использоваться следующие автоматические выключатели:

Для сети 230 В:

1. Однополюсные;
2. двухполюсные.

Для сети 400 В (380В):

1. Трёхполюсные;
2. четырёхполюсные.

Выбор автоматических выключателей по количеству полюсов.

С одной стороны, однополюсные и трёхполюсные автоматы коммутируют фазные проводники. С другой стороны, двухполюсные и четырёхполюсные автоматические выключатели помимо фазных проводников, коммутируют также и нулевые проводники.

Характеристики автоматических выключателей (ниже сокращенно – автоматов) важный фактор при выборе защиты электроприборов в каждом конкретном случае

• Номинальный ток автоматического выключателя
• Времятоковые характеристики электромагнитного и теплового расцепителей автомата
• Коммутационная способность автоматического выключателя
• Класс токоограничения автомата

Характеристики автоматических выключателей – обозначение.

Автомат нужен нам, потребителям электрической энергии, чтобы защищать идущий к розетке, светильнику  и вообще к  любому электрическому прибору кабель. Нужен он, чтобы мы потребители не перегрели кабель и не сожгли его изоляцию, перегрузив его кучей мощных приборов, для которых сечение жилы слишком мало. Или же включив, допустим неисправный электроприбор, не расплавили жилы кабеля большим током короткого замыкания. Если сила тока превысит допустимую норму, которую могут вынести жилы и изоляция кабеля, автомат должен обесточить сеть автоматически.

Для того  чтобы мы могли правильно выбрать автомат, производитель пишет основные характеристики автоматических выключателей на его корпусе. В бытовом автомате обязательно стоят два защитных реле – тепловое в качестве  защиты от перегрузки и электромагнитное  для защиты от короткого замыкания. Реле эти и сам автомат в целом обладают различными характеристиками и некоторые из них  написаны на корпусе автомата, а другие нужно смотреть дополнительно в графиках и таблицах производителя.

Наверху обычно указана фирма производитель – IEK, Schneider  electric, Legrand и тому подобное. Чуть ниже написана серия автомата,  например C60a илиIc60N у Schneider или S201, SH203L у ABB. Вариантов серий у разных фирм великое множество. Первые буквы и цифры серии обычно ничего не говорят потребителю – просто родители так назвали автомат на заводе. Последние же символы серии обычно означают количество полюсов автомата, (то есть количество клемм крепления проводов входа и выхода, расположенных  вверху и внизу выключателя), номинальный ток и тому подобное. Более развернуто  серии  автоматов расписаны в каталогах изготовителей,  по которым удобно подбирать оборудование по  каждому конкретному монтажу.

Номинальный ток автоматического выключателя

Ниже серии, рядом друг с другом изображены латинская буква и число. Допустим  C25, B10 или  D32. Число означает номинальный ток автоматического выключателя (In). То есть,  это самое большое значение силы тока, который в принципе бесконечно долго может протекать через автомат в нормальных условиях. Нормальные условия – это около 30ºC, то есть комнатная температура плюс автоматы в узком пространстве электрощита греют друг друга. При понижении температуры автомат сможет выдерживать больший ток, так как лучше охлаждается, а при повышении  соответственно  будет отключаться  при токе меньше номинального.  В таблицах производителей среди факторов, оказывающих влияние на величину номинального тока, учитывается еще высота над уровнем моря,  частота тока и количество устройств в щите.

Времятоковые характеристики электромагнитного и теплового расцепителей автомата

Латинская буква в обозначениях  означает времятоковую характеристику электромагнитного расцепителя  (упомянутого выше реле, стоящего для защиты от короткого замыкания) и теплового расцепителя (биметаллической пластины, отключающей контакты при перегрузке) –  за какое время и при какой величине тока они отключит нагрузку от напряжения. Существуют следующие буквенные обозначения – A; B; C; D; L; U; K; Z. Обозначают они время отключения автомата при коротком  замыкании или перегреве в зависимости от величины номинального тока. В быту применяются в основном B; C; D. Их и рассматриваем в данном случае.

Так автоматы характеристики B отключат нагрузку при токе короткого замыкания превышающий номинальный от 3 (за время ≥0,1 секунды)  до 5 раз (за менее 0,1 секунды) и применяются для электрических цепей, при включении которых не происходит  резкого увеличения силы тока – лампы накаливания, тэны.

Автоматические выключатели с характеристикой C отключаются при токах в 5 (за ≥0,1 секунды)-10 раз.

По сравнению с обычными выключателями автоматические размещаются в распределительных шкафах и предназначены для защиты электропроводки от коротких замыканий и перегрузок при скачках напряжения. Маркировка автоматических выключателей, нанесенная на корпус, содержит их основные характеристики. По ним можно получить полное представление о приборе.

Характеристика Z

Также имеет разброс при работе на постоянном и переменном напряжении и предназначен для обеспечения максимальной защиты электронных устройств управления. Кривая работы приведена ниже:

При работе на переменном напряжении отключение происходит при достижении 2 – 3 номиналов, при постоянном 2 – 5.

Как видим, выбор автоматического выключателя для защиты электрических цепей не такая уж и простая задача, как кажется на первый взгляд. Поэтому при выборе автоматического выключателя необходимо сопоставлять не только номинальные данные (напряжение, ток, фазность), но и знать характеристики работы системы, для которой выбирается автомат, чтобы выбранный вами автоматический выключатель в полной мере обеспечивал защиту вашего оборудования.

Электромаркировка

Маркировка для щита на радость тех, кого не устраивает типовая — закажите индивидуальное изготовление самоклеящейся маркировки для электрощита типографским способом, включая нарезку и доставку. Или сделайте её самостоятельно.

Почему маркировку заказывают в основном владельцы щитов, а не электрики? Ответ Потому что вашему электрику маркировка не нужна. Он видит щит изнутри, ориентируясь по схеме и номерам. Электрики, кого заботит качество изделия в период эксплуатации, всегда делают маркировку для владельца щита и его семьи.

Электромаркировка — для ответственных электриков!

Классификация

Устройства выпускаются в широком ассортименте и различаются по следующим признакам:

• току главной цепи (постоянный, переменный, комбинированный);
• количеству полюсов (от 1 до 4);
• способу управления (вручную, двигательным приводом);
• типу расцепителя (с тепловым, электромагнитным, полупроводниковым, электронным);
• способу установки (выдвижные, стационарные, втычные);
• рабочему току, измеряемому в А (от 1,6 до 6300);
• типу корпуса (открытый, литой, в модульном исполнении).

Современные выключатели имеют более сложную систему защиты электрических цепей и комплектуются дополнительными функциями, среди которых:

• дистанционное размыкание цепи (имеет независимое расцепляющее устройство);
• автоматическое срабатывание при спаде напряжения ниже 85% от номинального значения;
• автоматическое срабатывание при спаде напряжения до 35% от номинального значения;
• наличие сигнальных или свободных контактных групп.

Изготавливаются автоматы отечественными и зарубежными производителями разных типоразмеров и могут применяться как для защиты небольших помещений, так и крупных объектов. В быту чаще всего используют автоматические выключатели модульного типа. Характеризуются такие устройства небольшими габаритами и весом, а модульными они называются из-за стандартной ширины изделия, которая равна 17,5 мм (один модуль).

Выключатель трехполюсный модульный компании АВВ

Для квартир, офисов, частных домов, магазинов, дач, хозяйственных построек и др. объектов общественного и промышленного назначения используют следующие устройства:

• автоматический выключатель;
• УЗО (устройство защитного отключения);
• автомат дифференциальный.

Первый тип включает и отключает электрические цепи вручную и защищает их при возникновении короткого замыкания (к.з). У УЗО более широкие функции: защищать человека от удара эл. током в случае прикосновения к токоведущим частям, а также от возникновения пожара, который может быть вызван утечкой тока через поврежденную изоляцию проводников. Автомат дифференциальный объединяет функции простого выключателя автоматического и УЗО и является наиболее совершенным устройством защиты. Управляется он дифференциальным током и имеет встроенную защиту от сверхтока.

В однофазных эл. сетях используют автоматы одно-, или двухполюсные. Установка конкретного устройства зависит от количества проводов, которым выполнена проводка.

Класс ограничения дуги

Есть ещё такие характеристики, как класс ограничения дуги. При разрыве цепи, в которой значение тока «зашкаливает», всегда возникает дуга. В автоматических выключателях для этого присутствует специальная камера гашения дуги. Класс ограничения дуги показывает, насколько быстро происходит гашение не той дуги, которая возникает при разрыве цепи в «автомата», а той, которая возникает именно в месте короткого замыкания, возникшего во внешнем выключателе, розетке, распределительной коробке или электрическом приборе.

Таким образом, подробно изучив основные электротехнические параметры «автоматов», не составит особого труда выбрать оптимально подходящий вариант. Вышеизложенная информация, также поможет существенно увеличить их срок эксплуатации.

Время-токовая характеристика (ВТХ)

При помощи такого графического отображения можно получить наглядное представление, при каких условиях будет активирован механизм отключения питания цепи (см. рис. 2). На графике, в качестве вертикальной шкалы отображается время, необходимое для активации АВ. Горизонтальная шкала показывает соотношение I/In.

Допустимое превышение штатного тока, определяет тип время-токовых характеристик для расцепителей в приборах, производящих автоматическое выключение. В соответствии с действующими нормативом (ГОСТ P 50345-99), каждому виду присваивается определенное обозначение (из латинских литер). Допустимое превышение определяется коэффициентом k=I/In, для каждого вида предусмотрены установленные стандартом значения:

• «А» – максимум – троекратное превышение;
• «В» – от 3 до 5;
• «С» – в 5-10 раз больше штатного;
• «D» – 10-20 кратное превышение;
• «К» – от 8 до 14;
• «Z» – в 2-4 больше штатного.

Определившись с маркировкой, перейдем к рассмотрению различных типов приборов, отвечающих определенному классу в зависимости от характеристик.

Данный тип устанавливаются в цепях не подверженных кратковременным перегрузкам. В качестве примера можно привести схемы на полупроводниковых элементах, при выходе из строя которых, превышение тока незначительное. В быту такой тип не используется.

Характеристика «B»

Отличие данного вида от предыдущего заключается в токе срабатывания, он может превышать штатный от трех до пяти раз. При этом механизм соленоида гарантированно активируется при пятикратной нагрузке (время обесточивания – 0,015 сек.), термоэлемент – трехкратной (на отключение понадобиться не более 4-5 сек.).

Такие виды устройств нашли применение в сетях, для которых не характерны высокие пусковые токи, например, цепи освещения.

S201 производства компании ABB с время-токовой характеристикой B.

Характеристика «C»

Это наиболее распространенный тип, его допустимая перегрузка выше, чем у двух предыдущих видов. При пятикратном превышении штатного режима срабатывает термоэлемент, это схема, отключающая электропитание в течение полутора секунд. Механизм соленоида активируется, когда перегрузка превысит норму в десять раз.

Данные АВ рассчитаны на защиту электроцепи, в которой может возникнуть умеренный пусковой ток, что характерно для бытовой сети,  для которой характерна смешанная нагрузка. Покупая устройство для дома, рекомендуется остановить свой выбор на этом виде.

Характеристика «D»

Применяются такие приспособления в цепях с большими пусковыми токами. Например, для защиты пусковых устройств асинхронных электродвигателей.

Характеристика «K»

У таких АВ активация механизма соленоида возможна при превышении токовой нагрузки в 8 раз, и гарантированно произойдет, когда будет двенадцати кратная перегрузка штатного режима (восемнадцати кратное для постоянного напряжения). Время отключения нагрузки не более 0,02 сек. Что касается термоэлемента, то его активация возможна при превышении 1,05 от штатного режима.

Характеристика «Z»

Данный тип отличается небольшим допустимым превышением штатного тока, минимальная граница – двух кратная от штатной, максимальная – четырех кратная. Параметры срабатывания термоэлемента, такие же, как и у АВ с характеристикой К.

Этот подвид применяется для подключения электронных приборов.

Характеристика «MA»

Отличительная особенность этой группы – не используется термоэлемент для отключения нагрузки. То есть прибор предохраняет только от КЗ, этого вполне достаточно, чтобы подключить электрический двигатель. На рисунке 9 показано такое приспособление (с).

Определяемся с номиналом

Собственно, из функций защитного автомата и следует правило определения номинала автомата защиты: он должен срабатывать до того момента, когда ток превысит возможности проводки. А это значит, что токовый номинал автомата должен быть меньше чем максимальный ток, который выдерживает проводка.

Исходя из этого, алгоритм выбора автомата защиты прост:

• Рассчитываете сечение проводки для конкретного участка.
• Смотрите, какой максимальный ток выдерживает данный кабель (есть в таблице).
• Далее из всех номиналов защитных автоматов выбираем ближайший меньший. Номиналы автоматов привязаны к допустимым длительным токам нагрузки для конкретного кабеля — они имеют немного меньший номинал (есть в таблице). Выглядит перечень номиналов следующим образом: 16 А, 25 А, 32 А, 40 А, 63 А. Вот из этого списка и выбираете подходящий. Есть номиналы и меньше, но они уже практически не используются — слишком много электроприборов у нас появилось и имеют они немалую мощность.

Алгоритм очень прост, но работает безошибочно. Чтобы было понятнее, давайте разберем на примере. Ниже приведена таблица в которой указаны максимально допустимый ток для проводников, которые используют при прокладке проводки в доме и квартире. Там же даны рекомендации относительно использования автоматов. Они даны в колонке «Номинальный ток автомата защиты». Именно там ищем номиналы — он немного меньше предельно допустимого, чтобы проводка работала в нормальном режиме.

Как будет тогда работать цепь? До тех пор, пока ток не превышает 25 А автомат не отключается, все работает в штатном режиме — проводник греется, но не до критических величин. Когда ток нагрузки начинает возрастать и превышает 25 А, автомат еще некоторое время не отключается — возможно это стартовые токи и они кратковременны. Отключается он если достаточно длительное время ток превысит 25 А на 13%. В данном случае — если он достигнет 28,25 А. Тогда электропакетник сработает, обесточит ветку, так как это ток уже представляет угрозу для проводника и его изоляции.

Расчет по мощности

Можно ли выбрать автомат по мощности нагрузки? Если к линии электропитания будет подключено только одно устройство (обычно это крупная бытовая техника с большой потребляемой мощностью), то допустимо сделать расчет по мощности этого оборудования. Так же по мощности можно выбрать вводный автомат, который устанавливается на входе в дом или в квартиру.

Если ищем номинал вводного автомата, необходимо сложить мощности всех приборов, которые будут подключены к домовой сети. Затем найденная суммарная мощность подставляется в формулу, находится рабочий ток для этой нагрузки.

После того, как нашли ток, выбираем номинал. Он может быть или чуть больше или чуть меньше найденного значения. Главное, чтобы его ток отключения не превышал предельно допустимый ток для данной проводки.

Когда можно пользоваться данным методом? Если проводка заложена с большим запасом (это неплохо, кстати). Тогда в целях экономии можно установить автоматически выключатели соответствующие нагрузке, а не сечению проводников.

Но еще раз обращаем внимание, что длительно допустимый ток для нагрузки должен быть больше предельного тока защитного автомата. Только тогда выбор автомата защиты будет правильным.