В этой статье мы рассмотрим основные характеристики автоматических выключателей, которые необходимо знать, чтобы правильно ориентироваться при их выборе — это номинальный ток и время токовые характеристики автоматических выключателей .
Напомню, что эта публикация входит в серию статей и видео, посвященных электрическим аппаратам защиты из курса
Основные характеристики автоматического выключателя указываются на его корпусе, где также наносится торговая марка или бренд производителя и каталожный либо серийный номер.
Самая главная характеристика автоматического выключателя - номинальный ток . Это максимальный ток (в Амперах), который может протекать через автомат бесконечно долго, не отключая защищаемую цепь. При превышении протекающим током этой величины, автомат срабатывает и размыкает защищаемую цепь.
Ряд значений номинального тока автоматических выключателей стандартизован и составляет:
6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100А.
Величина номинального тока автомата указывается на его корпусе в амперах и соответствует температуре окружающей среды +30˚С. С увеличением температуры, значение номинального тока снижается.
В момент подключения в электрическую сеть некоторых потребителей, например, холодильников, пылесосов, компрессоров и др. в цепи кратковременно возникают пусковые токи, которые могут в несколько раз превышать номинальный ток автомата. Для кабеля такие кратковременные броски тока не страшны.
Поэтому, чтобы автомат не выключался каждый раз при небольшом кратковременном возрастании тока в цепи, применяют автоматы с разными типами время-токовой характеристики.
Таким образом, следующая основная характеристика:
время-токовая характеристика срабатывания автоматического выключателя - это зависимость времени отключения защищаемой цепи, от силы протекающего через нее тока. Ток указывается как отношение к номинальному току I/Iном, т.е. во сколько раз протекающий через автомат ток превышает номинальный для данного автоматического выключателя.
Важность этой характеристики заключается в том, что автоматы с одинаковым будут отключаться по-разному (в зависимости от типа время-токовой характеристики). Это дает возможность уменьшить количество ложных срабатываний, применяя автоматические выключатели с различными токовыми характеристиками для разных типов нагрузки,
Рассмотрим типы время-токовых характеристик:
— Тип A (2-3 значения номинального тока) применяются для защиты цепей с большой протяженностью электропроводки и для защиты полупроводниковых устройств.
— Тип B (3-5 значений номинального тока) применяются для защиты цепей с малым значением кратности пускового тока с преимущественно активной нагрузкой (лампы накаливания, обогреватели, печи, осветительные электросети общего назначения). Показаны для применения в квартирах и жилых зданиях, где нагрузки в основном активные.
— Тип C (5-10 значений номинального тока) применяются для защиты цепей установок с умеренными пусковыми токами — кондиционеры, холодильники, домашние и офисные розеточные группы, газоразрядные лампы с повышенным пусковым током.
— Тип D (10-20 значений номинального тока) применяются для защиты цепей, питающих электроустановки с высокими пусковыми токами (компрессоры, подъемные механизмы, насосы, станки). Устанавливаются, в основном, в производственных помещениях.
— Тип K (8-12 значений номинального тока) применяются для защиты цепей с индуктивной нагрузкой.
— Тип Z (2,5-3,5 значений номинального тока) применяются для защиты цепей с электронными приборами, чувствительными к сверхтокам.
В быту обычно используются с характеристиками B ,C и очень редко D . Тип характеристики обозначается на корпусе автомата латинской буквой пред значением номинального тока.
Маркировка «С16» на автоматическом выключателе будет обозначать, что он имеет тип мгновенного расцепления С (т.е. срабатывает при величине тока от 5 до 10 значений от номинального тока) и номинальный ток, равный 16 А.
Время-токовая характеристика автоматического выключателя обычно приводится в виде графика. На горизонтальной оси указывается кратность значения номинального тока, а по вертикальной оси — время срабатывания автомата.
Широкий диапазон значений на графике обусловлен разбросом параметров автоматических выключателей, которые зависят от температуры — как внешней, так и внутренней, поскольку автоматический выключатель нагревается проходящим через него электрическим током, особенно, при аварийных режимах — током перегрузки или током короткого замыкания (КЗ).
На графике видно, что при значении I/Iн≤1 время отключения автоматического выключателя стремится к бесконечности. Другими словами, до тех пор, пока ток, протекающий через автоматический выключатель, меньше или равен номинальному току, автоматический выключатель не сработает (не отключится).
Также график показывает, что чем больше значение I/Iн (т.е. чем больше протекающий через автомат ток превышает номинальный), тем быстрее автоматический выключатель отключится.
При протекании через автоматический выключатель тока, величина которого равна нижней границе диапазона срабатывания электромагнитного расцепителя (3In для «В», 5In для «С» и 10In для «D»), он должен отключиться за время более 0,1с.
При протекании тока, равного верхней границе диапазона срабатывания электромагнитного расцепителя (5In для «В», 10In для «С» и 20In для «D»), автоматический выключатель отключится за время менее 0,1с. Если значение тока главной цепи находится внутри диапазона токов мгновенного расцепления, автоматический выключатель расцепляется либо с незначительной выдержкой, либо без задержки времени (менее 0,1 с).
Электрический автомат, или автоматический выключатель, представляет собой механическое коммутационное устройство, посредством которого можно вручную добиться обесточивания всей электросети или же конкретного ее участка. Сделать это можно в доме, квартире, на даче, в гараже и т.п. Более того, такой прибор оснащается функцией автоматического выключения электрического кабеля при возникновении аварийных ситуаций: например, в случае короткого замыкания либо при перегрузке. Отличие таких автоматических выключателей от обычных предохранителей состоит в том, что после срабатывания их можно кнопкой включить вновь.
Автоматы (автоматические выключатели) - это то, что пришло на замену обычным пробкам, т.е. предохранителям в керамическом корпусе, где защитой от перегрузки по току была перегорающая нихромовая проволочка.
В отличие от пробки, автомат - многоразовое устройство , и функции защиты у него разделены. Во-первых, защита от сверхтоков (токов короткого замыкания или КЗ), во-вторых, защита от перегрузки, т.е. механизм автомата разрывает цепь нагрузки при небольшом превышении рабочего тока автомата.
В соответствии с этими функциями, автоматический выключатель содержит в себе два типа размыкателей. Магнитный быстродействующий размыкатель защиты от КЗ с системой гашения дуги (время реакции миллисекунды) и медленный тепловой размыкатель с биметаллической пластиной (время его реакции - от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от тока нагрузки).
Классификация электрических автоматов
Существуют несколько типовых характеристик отключения автоматов: A, B, C, D, E, K, L, Z
- А – для размыкания цепей с большой протяженностью и для защиты электронных устройств.
- B - для осветительных сетей.
- С - для осветительных сетей и электроустановок с умеренными токами (перегрузочные способности по току вдвое больше, чем у В).
- D – для цепей с индуктивной нагрузкой и электромоторов.
- K – для индуктивных нагрузок.
- Z – для электронных устройств.
Основные критерии для выбора автовыключателя
Предельный ток короткого замыкания
Этот показатель необходимо учитывать сразу же. Означает он ту максимальную величину тока, при которой электрический автомат сработает и разомкнет цепь. Здесь выбор не велик, так как есть лишь три варианта: 4,5 кА ; 6 кА ; 10кА .
При выборе следует руководствоваться теоретической вероятностью возникновения сильной тока короткого замыкания. Если такой вероятности нет, то достаточно будет приобрести 4,5 кА автомат.
Ток автомата
Учет этого показателя является следующим шагом. Речь идет о необходимом номинальном значении рабочего тока электрического автомата. Чтобы определить рабочий ток, нужно руководствоваться мощностью, которая, предположительно, будет подключена к проводке, или же по значению допустимого тока (тот уровень, который будет выдерживаться в нормальном режиме).
Что нужно знать при определении рассматриваемого параметра? Не рекомендуется применять автоматы с завышенным рабочим током. Просто в таком случае автомат при перегрузке не отключит питание, а это может вызвать термическое разрушение изоляции проводки.
Полюсность автомата
Это, пожалуй, наиболее простой показатель. Чтобы выбрать количество полюсов у выключателя, нужно исходить из того, как он будет применяться.
Так, однополюсный автомат – это ваш выбор при необходимости защиты проводки, которая идет из электрощита к розеткам и цепям освещения. Двухполюсный выключатель применяется тогда, когда нужно защитить всю проводку в квартире либо доме с однофазным питанием. Защита трехфазной проводки и нагрузки обеспечивается трехполюсным автоматом, а четырехполюсные используются в целях защиты четырехпроводного питания.
Характеристики автомата
Это последний показатель, на который понадобится обратить внимание. Время-токовая характеристика автоматического выключателя обусловливается нагрузками, которые подключаются к защищаемой линии. При выборе характеристики учитываются: рабочий ток цепи, номинальный ток автомата, пропускная способность кабеля, рабочий ток выключателя.
В том случае, если необходимо подключать к линии электропитания небольшие пусковые токи, т.е. электрические приборы, характеризующиеся небольшой разнице между рабочим током и тем током, который возникает при включении, предпочтение следует отдать характеристике срабатывания B. При более серьезных нагрузках выбирают характеристику C. Наконец, есть еще одна характеристика – D. Свой выбор следует остановить на ней в том случае, если предполагается подключать мощные устройства с высокими пусковыми точками. О каких устройствах идет речь? Например, об электродвигателе.
Классификация УЗО
УЗО реагирует на дифференциальный ток, т.е. разность токов, текущих по прямому и обратному проводу. Дифференциальный ток появляется при прикосновении человека к защищенной цепи и заземленному предмету. УЗО для защиты людей выбираются на ток 10-30 мА , пожарные УЗО - на ток 300 мА. Последние защищает всю систему проводки, а при пожаре обычно токи утечки возникают раньше, чем токи КЗ.
Устройства защитного отключения защищают людей от поражения электрическим током.
Выбор УЗО затруднен тем, что это более сложное устройство, чем автомат. Например, есть дифавтоматы – устройства, совмещающие в себя автомат и УЗО. УЗО также подразделяются по типу исполнения на электронные и электромеханические. Опыт показал, что лучше использовать электромеханические УЗО. Они лучше защищены от ложных срабатываний и от поломок.
По числу полюсов УЗО делятся на:
- двухполюсные для цепей 220 В;
- четырехполюсные для цепей 380 В.
По условиям функционирования на:
- АС - реагирующие только на переменный синусоидальный дифференциальный ток.
- А - реагирующие как на переменный синусоидальный дифференциальный ток, так и на постоянный пульсирующий дифференциальный ток.
- В - реагирующие на переменный синусоидальный дифференциальный ток, на постоянный пульсирующий дифференциальный ток и на постоянный дифференциальный ток.
По наличию задержки на УЗО без задержки общего применения и с временной задержкой типа S. По токовой характеристике (дифавтоматы) на В, С, D. И, наконец, по номинальному току.
Следует знать, что если обычное Устройство Защитного Отключения и автомат стоят последовательно в одной цепи, то автомат должен быть на меньший ток, чем УЗО. Иначе УЗО может быть повреждено, т.к. автомат разрывает цепь нагрузки с задержкой.
В заключение необходимо сказать, что следует выбирать устройства известных фирм: ABB абб , GE POWER же пауэр , SIEMENS сименс , LEGRAND легранд и других, по крайней мере сертифицированных в России . Лучше выбирать электромеханические УЗО, т.к. они гораздо надежнее электронных. Вместо тандема из УЗО и автомата лучше выбрать дифавтомат, это сделает конструкцию щитка более компактной и надежной. Токовые характеристики необходимо выбирать в зависимости от используемой проводки. Ток срабатывания автоматов и дифавтоматов должен быть меньше максимально допустимых токов кабелей.
Для медных трехпроводных кабелей можно привести следующие данные соответствия сечения проводников кабеля в квадратных миллиметрах и токов автоматов:
- 3 х 1.5мм 2 - 16 Ампер;
- 3 х 2.5 мм 2 - 25 А;
- 3 х 4 мм 2 – 32 Ампер;
- 3 х 6мм 2 – 40 А;
- 3 х 10 мм 2 – 50 Ампер;
- 3 х 16 мм 2 – 63 А.
Надеемся, что после прочтения всего материала вам будет проще разобраться в проектировании и построении электропроводки.
История создания УЗО
Первое устройство защитного отключения (УЗО) было запатентовано германской фирмой RWE в 1928 г., когда принцип токовой дифференциальной защиты, ранее применявшийся для защиты генераторов, линий и трансформаторов, был применен для защиты человека от поражения электрическим током.
В 1937 г. фирма Schutzapparategesellschaft Paris & Со. изготовила первое действующее устройство на базе дифференциального трансформатора и поляризованного реле, имевшее чувствительность 0,01 А и быстродействие 0,1 с. В том же году с помощью добровольца (сотрудника фирмы) было проведено испытание УЗО. Эксперимент закончился благополучно, устройство сработало четко, доброволец испытал лишь слабый удар электрическим током, хотя и отказался от участия в дальнейших опытах.
Все последующие годы, за исключением военных и первых послевоенных, велась интенсивная работа по изучению действия электрического тока на организм человека, разработке электрозащитных средств и совершенствованию и внедрению устройств защитного отключения.
В нашей стране проблема применения устройств защитного отключения впервые возникла в связи с электрической и пожарной безопасностью школьников около 20 лет назад. Именно в этот период были разработаны и запущены в производство УЗОШ (УЗО школьное) для оборудования школьных зданий. Интересно, что УЗО такого типа ставят в школьных зданиях до сих пор, хотя в силу устаревших технологий эти устройства уже не вполне удовлетворяют современным требованиям электрической и пожарной безопасности.
Другим событием, обострившим проблему установки УЗО, была реконструкция московской гостиницы «Россия» после печально известного пожара, который возник по причине самого заурядного короткого замыкания. Дело в том, что при строительстве этого гостиничного комплекса были нарушены принципы электроснабжения. Несколько трагических случаев, приведших к гибели обслуживающего персонала, заставило руководство гостиницы наметить проведение установки устройств защитного отключения с целью обеспечить электро- и пожарную безопасность.
В то время подобные установки выпускались только для промышленного применения. Разработать установку защитного отключения для коммунально-бытового назначения было поручено одному из оборонных предприятий. Но трагедии предотвратить не успели, и возникший в результате короткого замыкания пожар в гостинице «Россия» привел к многочисленным жертвам. После пожара при восстановлении здания проводились работы по установке УЗО в каждом номере. Поскольку отечественные УЗО были изготовлены в очень сжатые сроки и имели недостатки, их постепенно стали заменять на устройства фирмы SIEMENS (Германия).
К этому времени над проблемой производства бытовых устройств защитного отключения стали задумываться и наши электротехнические предприятия. Так, гомельский завод «Электроаппаратура» и ставропольский электротехнический завод «Сигнал» разработали и стали выпускать бытовые устройства защитного отключения. И уже с 1991-1992 годов началось массовое внедрение устройств защитного отключения в домостроении, по крайней мере, в Москве.
В 1994 году был принят стандарт «Электроснабжение и электробезопасность мобильных (инвентарных) зданий из металла или с металлическим каркасом для уличной торговли и бытового обслуживания населения. Технические требования». В этом же году вышло постановление правительства Москвы о внедрении УЗО, которое предписывало обязательное оснащение новостроек Москвы устройствами защитного отключения.
В 1996 году вышло Письмо Главного управления государственной службы МВД России от 05.03.96 №20/2.1/516 «О применении устройств защитного отключения (УЗО) ». А правительством Москвы было принято еще одно решение о повышении надежности электроснабжения всего жилого фонда, независимо от года постройки. Можно сказать, что с этого момента началось узаконенное массовое внедрение УЗО в строительстве жилья.
В настоящее время уже четко расписаны области применения УЗО, действует ряд нормативных документов, регламентирующих технические параметры и требования к применению УЗО в электроустановках зданий. Сегодня УЗО является обязательным элементом любого распределительного щита, этими устройствами оборудованы в обязательном порядке все передвижные объекты (жилые домики-прицепы на кемпинговых площадках, торговые фургоны, фургоны общественного питания, малые временные электроустановки наружной установки, устраиваемые на площадях на время праздничных гуляний), ангары, гаражи.
Вариант подключения УЗО, обеспечивающий наиболее безопасную эксплуатацию электропроводки. Кроме того, УЗО встраивают в розеточные блоки или вилки, через которые подключаются электроинструмент или бытовые электроприборы, эксплуатируемые в особо опасных, влажных, пыльных, с проводящими полами и т.п., помещениях.
Страховые компании при оценке риска, определяющего страховую сумму, обязательно учитывают наличие на объекте страхования УЗО и их техническое состояние.
В настоящее время на каждого жителя развитых стран приходится в среднем по два УЗО. Тем не менее десятки фирм на протяжении многих лет стабильно в значительных количествах производят эти устройства самых различных модификаций, постоянно совершенствуя их технические параметры.
Таковы основные показатели, которые следует учитывать при выборе автоматического выключателя. Соответственно, если все необходимые данные вам будут известны, то выбор не составит труда. Останется лишь принять во внимание самый последний критерий – производителя автомата. На что это влияет? Очевидно, что на стоимость .
Действительно, разница есть. Так, известные европейские бренды свои автоматические выключатели предлагают по цене, которая в два раза превышает стоимость отечественных аналогов и в три раза больше цены на приборы из Юго-Восточных стран. Также от выбора конкретного производителя зависит наличие либо отсутствие выключателя с четко определенными показателями на складе.
При практическом применении важно не только знать характеристики автоматических выключателей, а и понимать, что они означают. Благодаря такому подходу можно определиться с большинством технических вопросов. Давайте рассмотрим, что подразумевается под теми или иными параметрами, указанными на маркировке.
Используемая аббревиатура.
Маркировка устройств содержит всю необходимую информацию, описывающую основные характеристики автоматических выключателей (далее АВ). Что они обозначают, будет рассказано ниже.
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.
Рис. 2. Графическое отображение время токовых характеристик наиболее распространенных типов автоматовДопустимое 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 (см. рис.3):
- «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.
Рисунок 3. Основные параметры активации для различных типов
Заметим, что данный график полностью описывает условия активации соленоида и термоэлемента (см. рис.4).
Учитывая все вышесказанное, можно резюмировать, что основная защитная характеристика у АВ обусловлена время-токовой зависимостью.
Перечень типовых время-токовых характеристик.
Определившись с маркировкой, перейдем к рассмотрению различных типов приборов, отвечающих определенному классу в зависимости от характеристик.
Характеристика типа «A»
Тепловая защита АВ этой категории активируется, когда отношение тока цепи к номинальному (I/I n) превысит 1,3. При таких условиях отключение произойдет через 60 минут. По мере дальнейшего превышения номинального тока время отключения сокращается. Активация электромагнитной защиты происходит при двукратном превышении номинала, скорость срабатывания – 0,05 сек.
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.
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.
Трехполюсный автомат Legrand
Характеристика «D»
Для АВ такого типа характерны высокие перегрузочные характеристики. А именно, десятикратное превышение нормы для термоэлемента и двадцатикратное для соленоида.
Применяются такие приспособления в цепях с большими пусковыми токами. Например, для защиты пусковых устройств асинхронных электродвигателей. На рисунке 9 показано два прибора этой группы (a и b).
Рисунок 9. а) ВА51-35; b) BA57-35; c) BA88-35
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.
Сфера применения – цепи с индуктивной нагрузкой.
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).
Ток штатной работы
Этот параметр описывает максимально допустимое значение для штатного режима работы, при его превышении будет активировано срабатывание системы отключения нагрузки. На рисунке 1 показано, где отображается это значение (в качестве примера взята продукция компании IEK).
Тепловые параметры
Под данным термином подразумевается условия срабатывания термоэлемента. Эти данные можно получить из соответствующего время-токового графика.
Предельная отключающая способность (ПКС).
Этот термин обозначает максимально допустимое значение нагрузки, при котором прибор сможет разомкнуть цепь без потери работоспособности. На рисунке 5 данная маркировка обозначена красным овалом.
Рис. 5. Прибор компании Шнайдер Электрик
Категории токоограничения
Этот термин используется для описания способности АВ произвести отключение цепи до того, как ток КЗ в ней станет максимальным. Приспособления выпускаются с токоограничением трех категорий, в зависимости от времени отключения нагрузки:
- 10 мс. и больше;
- от 6 до 10 мс;
- 2,5-6 мс.
Заметим, что АВ, относящиеся к первой категории, могут не иметь соответствующей маркировки.
Небольшой лайфхак о том, как выбрать необходимый выключатель для дома
Автоматический выключатель, или, говоря проще, автомат - это электротехническое устройство, знакомое практически всем. Все знают, что автомат отключает сеть при возникновении в ней каких-то проблем. Если не мудрить, то эти проблемы - слишком большой электрический ток. Чрезмерный электрический ток опасен выходом всех проводников и бытовой электротехники из строя, возможным перегревом, возгоранием и, соответственно, пожаром. Поэтому защита от высоких токов - это классика электрических схем, и существовала она еще на заре электрификации.
У любого аппарата максимально-токовой защиты есть две важных задачи:
1) вовремя и безошибочно распознать слишком высокий ток;
2) разорвать цепь до того, как этот ток сможет нанести какие-либо повреждения.
При этом высокие токи можно поделить на две категории:
1) большие токи, вызванные перегрузкой сети (например, включением большого количества бытовых электроприборов, или неисправностью некоторых из них);
2) , когда нулевой и фазный проводник напрямую замыкаются между собой, минуя нагрузку.
Кому-то, может быть, это покажется странным, но именно со сверхтоками короткого замыкания все обстоит предельно просто. Современные электромагнитные расцепители без труда и совершенно безошибочно определяют КЗ и отключают нагрузку за доли секунды, не допуская даже малейшего повреждения проводников и аппаратуры.
С токами перегрузки все сложнее. Такой ток ненамного отличается от номинального, в течение какого-то времени он может протекать по цепи совершенно без последствий. Поэтому нет необходимости отключать такой ток мгновенно, тем более что он мог и возникнуть очень кратковременно. Ситуация отягощается тем, что каждая сеть имеет свой предельный ток перегрузки. И даже не один.
Устройство автоматического выключателя
Есть целый ряд токов, для каждого из которых теоретически можно определить свое максимальное время отключения сети, составляющее от нескольких секунд до десятков минут. Но и ложные срабатывания тоже необходимо исключить: если ток для сети безвреден, то отключение не должно происходить ни через минуту, ни через час - вообще никогда.
Получается, что уставку срабатывания защиты от перегрузок необходимо регулировать под конкретную нагрузку, изменять ее диапазоны . И, разумеется, перед установкой аппарата защиты от перегрузок его необходимо прогружать и проверять.
Итак, в современных «автоматах» есть три вида расцепителей: механический - для ручного включения и выключения, электромагнитный (соленоидный) - для отключения токов короткого замыкания, ну и самый сложный - тепловой для защиты от перегрузок. Именно характеристика теплового и электромагнитного расцепителей и является характеристикой автоматического выключателя , которая обозначается латинской буквой на корпусе перед числом, обозначающим токовый номинал аппарата.
Эта характеристика означает:
а) диапазон срабатывания защиты от перегрузок, обусловленный параметрами встроенной биметаллической пластины, изгибающейся и разрывающей цепь при протекающем через нее большом электрическом токе. Точная настройка достигается за счет регулировочного винта, поджимающего эту самую пластину;
б) диапазон срабатывания максимально-токовой защиты, обусловленный параметрами встроенного соленоида.
Ниже перечислим характеристики модульных автоматических выключателей , расскажем о том, чем они отличаются друг от друга и для чего предназначены автоматы, имеющие их. Все характеристики представляют собой зависимости между током нагрузки и временем отключения на этом токе.
1) Характеристика MA - отсутствие теплового расцепителя. На самом деле, он действительно не всегда бывает нужен. Например, защиту электродвигателей часто осуществляют при помощи максимально-токовых реле, а автомат в подобном случае нужен лишь для защиты от токов короткого замыкания.
2) Характеристика А. Тепловой расцепитель автомата этой характеристики может сработать уже при токе, составляющем 1,3 от номинального. При этом время отключения составит около часа. При токе, превышающем номинальный в два раза, в действие может вступить электромагнитный расцепитель, срабатывающий примерно за 0,05 секунды. Но если при двукратном превышении тока соленоид еще не сработает, то тепловой расцепитель по-прежнему остается «в игре», отключая нагрузку примерно через 20-30 секунд. При токе, превышающем номинальный в три раза, гарантированно срабатывает электромагнитный расцепитель за сотые доли секунды.
Автоматические выключатели характеристики А устанавливаются в тех цепях, где кратковременные перегрузки не могут возникнуть в нормальном рабочем режиме. Примером могут служить цепи, содержащие устройства с полупроводниковыми элементами, способными выйти из строя при небольшом превышении тока.
3) Характеристика В. Характеристика этих автоматов отличается от характеристики А тем, что электромагнитный расцепитель может сработать только при токе, превышающем номинальный не в два, а в три и более раз. Время срабатывания соленоида составляет всего 0,015 секунды. Тепловой расцепитель при трехкратной перегрузке автомата В сработает через 4-5 секунд. Гарантированное срабатывание автомата происходит при пятикратной перегрузке для переменного тока и при нагрузке, превышающей номинальную в 7,5 раз в цепях постоянного тока.
Автоматические выключатели характеристики В применяются в осветительных сетях, а также прочих сетях, в которых пусковое повышение тока либо невелико, либо отсутствует вовсе.
4) Характеристика С. Это самая известная характеристика для большинства электриков. Автоматы С отличаются еще большей перегрузочной способностью по сравнению с автоматами В и А. Так, минимальный ток срабатывания электромагнитного расцепителя автомата характеристики С составляет пятикратный номинальный ток. При этом же токе тепловой расцепитель срабатывает через 1,5 секунд, а гарантированное срабатывание электромагнитного расцепителя наступает при десятикратной перегрузке для переменного тока и при 15-тикратной перегрузке для цепей тока постоянного.
Характеристики автоматических выключателей B, C и D
5) Характеристика D - отличается очень большой перегрузочной способностью. Минимальный ток срабатывания электромагнитного соленоида этого автомата составляет десять номинальных токов, а тепловой расцепитель при этом может сработать за 0,4 секунды. Гарантированное срабатывание обеспечено при двадцатикратной перегрузке по току.
Автоматические выключатели характеристики D предназначены, прежде всего, для подключения электродвигателей, имеющих большие пусковые токи.
6) Характеристика K отличается большим разбросом между максимальным током срабатывания соленоида в цепях переменного и постоянного тока. Минимальный ток перегрузки, при котором может сработать электромагнитный расцепитель, для этих автоматов составляет восемь номинальных токов, а гарантированный ток срабатывания той же защиты составляет 12 номинальных токов в цепи переменного тока и 18 номинальных токов в цепи постоянного тока. Время срабатывания электромагнитного расцепителя составляет до 0,02 секунды. Тепловой расцепитель автомата К может сработать при токе, превышающем номинальный всего в 1,05 раз.
Из-за таких особенностей характеристики K эти автоматы применяют для подключения чисто индуктивной нагрузки.
7) Характеристика Z также имеет различия в токах гарантированного срабатывания электромагнитного расцепителя в цепях переменного и постоянного тока. Минимальный возможный ток срабатывания соленоида для этих автоматов составляет два номинальных, а гарантированный ток срабатывания электромагнитного расцепителя составляет три номинальных тока для цепей переменного тока и 4,5 номинальных тока для цепи постоянного тока. Тепловой расцепитель автоматов Z, как и у автоматов K, может срабатывать при токе в 1,05 от номинального.
Применяются автоматы Z только для подключения электронных устройств.
Александр Молоков
Основное отличие этих коммутационных аппаратов от всех остальных подобных устройств состоит в комплексном сочетании способностей:
1. длительно поддерживать номинальные нагрузки в системе за счет надежного пропускания через свои контакты мощных потоков электроэнергии;
2. защищать работающее оборудование от случайно возникающих неисправностей в электрической схеме за счет быстрого снятия с него питания.
При нормальных условиях эксплуатации оборудования оператор может вручную коммутировать нагрузки автоматическими выключателями, обеспечивая:
разные схемы питания;
изменение конфигурации сети;
вывод оборудования из работы.
Аварийные ситуации в электрических системах возникают мгновенно и стихийно. Человек не способен быстро среагировать на их появление и принять меры к устранению. Эта функция возлагается на автоматические устройства, встроенные в выключатель.
В энергетике принято деление электрических систем по видам тока:
постоянный;
переменный синусоидальный.
Кроме того, существует классификация оборудования по величине напряжения на:
низковольтное - менее тысячи вольт;
высоковольтное - все остальное.
Для всех типов этих систем создаются свои автоматические выключатели, предназначенные для многократной работы.
Цепи переменного тока
По мощности передаваемой электроэнергии автоматические выключатели в цепях переменного тока условно подразделяют на:
1. модульные;
2. в литом корпусе;
3. силовые воздушные.
Модульные конструкции
Специфическое исполнение в виде небольших стандартных модулей с шириной кратной 17,5 мм определяет их название и конструкцию с возможностью установки на Din-рейку.
Внутреннее устройство одного из подобных автоматических выключателей показано на картинке. Его корпус полностью изготовлен из прочного диэлектрического материала, исключающего .
Питающий и отходящий провода подключаются на верхний и нижний клеммный зажим соответственно. Для ручного управления состоянием выключателя установлен рычаг с двумя фиксированными положениями:
верхнее предназначено для подачи тока через замкнутый силовой контакт;
нижнее - обеспечивает разрыв цепи питания.
Каждый из подобных автоматов рассчитан на длительную работу при определенной величине (Iн). Если же нагрузка становится больше, то происходит разрыв силового контакта. Для этого внутри корпуса размещено два вида защит:
1. тепловой расцепитель;
2. токовая отсечка.
Принцип их работы позволяет объяснить времятоковая характеристика, выражающая зависимость времени срабатывания защиты от проходящего сквозь нее тока нагрузки или аварии.
Представленный на картинке график приведен для одного конкретного автоматического выключателя, когда зона работы отсечки выбрана в 5÷10 крат номинального тока.
При первоначальной перегрузке работает тепловой расцепитель, выполненный из , которая при увеличенном токе постепенно нагревается, изгибается и воздействует на отключающий механизм не сразу, а с определенной задержкой по времени.
Таким способом он позволяет небольшим перегрузкам, связанным с кратковременным подключением потребителей, самоустраниться и исключить излишние отключения. Если же нагрузка обеспечит критический нагрев проводки и изоляции, то происходит разрыв силового контакта.
Когда же в защищаемой цепи возникает аварийный ток, способный своей энергией сжечь оборудование, то в работу вступает электромагнитная катушка. Она импульсом за счет броска возникшей нагрузки выкидывает сердечник на отключающий механизм с целью мгновенного прекращения запредельного режима.
На графике видно, что чем выше токи коротких замыканий, тем быстрее происходит их отключение электромагнитным расцепителем.
По этим же принципам работает бытовой предохранитель автоматический ПАР.
При разрыве больших токов создается электрическая дуга, энергия которой может выжечь контакты. Чтобы исключить ее действие в автоматических выключателях используется дугогасительная камера, разделяющая дуговой разряд на маленькие потоки и гасящая их за счет охлаждения.
Кратность отсечек модульных конструкций
Электромагнитные расцепители настраиваются и подбираются под работу с определенными нагрузками потому, что при запуске они создают разные переходные процессы. Например, во время включения различных светильников кратковременный бросок тока из-за изменяющегося сопротивления нити накала может приближаться к трем кратам номинальной величины.
Поэтому для розеточной группы квартир и цепей освещения принято выбирать автоматические выключатели с времятоковой характеристикой типа «В». Она составляет 3÷5 Iн.
Асинхронные двигатели при раскрутке ротора с приводом вызывают бо́льшие токи перегрузок. Для них подбирают автоматы с характеристикой «С», или - 5÷10 Iн. За счет созданного запаса по времени и току они позволяют двигателю раскрутиться и гарантированно выйти на рабочий режим без излишних отключений.
В промышленных производствах на станках и механизмах встречаются нагруженные привода, подключенные к двигателям, которые создают более увеличенные перегрузки. Для таких целей применяют автоматические выключатели характеристики «D» с номиналом 10÷20 Iн. Они хорошо себя зарекомендовали при работе в схемах с активно-индуктивными нагрузками.
Кроме того, у автоматов есть еще три вида стандартных времятоковых характеристик, которые применяются в специальных целях:
1. «А» - у длинных проводок с активной нагрузкой или защит полупроводниковых устройств с величиной 2÷3 Iн;
2. «K» - для выраженных индуктивных нагрузок;
3. «Z» - у электронных устройств.
В технической документации у разных производителей кратность срабатывания отсечки для последних двух типов может немного отличаться.
Этот класс устройств способен коммутировать бо́льшие токи, чем модульные конструкции. Их нагрузка может достигать величины до 3,2 килоампера.
Они изготавливаются по тем же принципам, что и модульные конструкции, но, с учетом повышенных требований к пропусканию увеличенной нагрузки, им стараются придать относительно маленькие габариты и высокое техническое качество.
Эти автоматы предназначены для безопасной работы на промышленных объектах. По величине номинального тока их условно делят на три группы с возможностью коммутации нагрузок до 250, 1000 и 3200 ампер.
Конструктивное исполнение их корпуса: трех- или четырехполюсные модели.
Силовые воздушные выключатели
Они работают в промышленных установках и оперируют токами очень больших нагрузок до 6,3 килоампера.
Это наиболее сложные устройства коммутационных аппаратов низковольтного оборудования. Они используются для работы и защиты электрических систем в качестве вводных и отходящих аппаратов распределительных установок повышенных мощностей и для подключения генераторов, трансформаторов, конденсаторов или мощных электродвигателей.
Схематичное изображение их внутреннего устройства показано на картинке.
Здесь используется уже двойной разрыв силового контакта и установлены дугогасящие камеры с решетками на каждой стороне отключения.
В алгоритме работы участвуют катушка включения, замыкающая пружина, мотор-привод взвода пружины и элементы автоматики. Для контроля протекающих нагрузок встроен трансформатор тока с защитной и измерительной обмоткой.
Автоматические выключатели высоковольтного оборудования относятся к очень сложным техническим устройствам и изготавливаются строго индивидуально под каждый класс напряжения. Они используются, как правило, .
К ним предъявляются требования:
высокой надежности;
безопасности;
быстродействия;
удобства пользования;
относительной бесшумности при работе;
оптимальной стоимости.
Нагрузки, которые разрывают при аварийном отключении, сопровождаются очень сильной дугой. Для ее гашения используются различные способы, включая разрыв цепи в специальной среде.
В состав такого выключателя входят:
контактная система;
дугогасительное устройство;
токоведущие части;
изолированный корпус;
приводной механизм.
Один из таких коммутационных аппаратов показан на фотографии.
Для качественной работы схемы в подобных конструкциях, кроме рабочего напряжения, учитывают:
номинальную величину тока нагрузки для надежной ее передачи во включенном состоянии;
максимальный ток короткого замыкания по действующему значению, который способен выдержать отключающий механизм;
допустимую составляющую апериодического тока в момент разрыва схемы;
возможности автоматического повторного включения и обеспечение двух циклов АПВ.
По способам гашения дуги во время отключения выключатели классифицируют на:
масляные;
вакуумные;
воздушные;
элегазовые;
автогазовые;
электромагнитные;
автопневматические.
Для надежной и удобной работы они снабжаются приводным механизмом, который может использовать один или несколько видов энергий либо их сочетаний:
взведенной пружины;
поднятого груза;
давления сжатого воздуха;
электромагнитного импульса от соленоида.
В зависимости от условий применения они могут создаваться с возможностью работы под напряжением от одного и до 750 киловольт включительно. Естественно, что они имеют разную конструкцию. габариты, возможности автоматического и дистанционного управления, настройку защит для безопасной эксплуатации.
Вспомогательные системы таких автоматических выключателей могут иметь очень сложную разветвленную структуру и размещаться на дополнительных панелях в специальных технических зданиях.
Цепи постоянного тока
В этих сетях тоже работает огромное число автоматических выключателей, обладающих разными возможностями.
Электрооборудование до 1000 вольт
Здесь массово внедряются современные модульные устройства, имеющие возможность крепления на Din-рейку.
Они успешно дополняют классы старых автоматов типа , АЕ и других подобных, которые закреплялись на стенках щитов винтовыми соединениями.
Модульные конструкции постоянного тока имеют такое же устройство и принцип работы, как их аналоги на переменном напряжении. Они могут выполняться одним или несколькими блоками и подбираются по нагрузке.
Электрооборудование выше 1000 вольт
Высоковольтные автоматические выключатели для постоянного тока работают на установках электролизного производства, металлургических промышленных объектах, железнодорожном и городском электрифицированном транспорте, предприятиях энергетики.
Основные технические требования к работе подобных устройств соответствуют их аналогам на переменном токе.
Гибридный выключатель
Ученым шведско-швейцарской компании ABB удалось разработать высоковольтный выключатель постоянного тока, сочетающий в своем устройстве две силовые конструкции:
1. элегазовую;
2. вакуумную.
Он получил название гибридного (HVDC) и использует технологию последовательного гашения дуги сразу в двух средах: гексафторида серы и вакуума. Для этого собрана следующее устройство.
На верхнюю шину гибридного вакуумного выключателя подводится напряжение, а с нижней шины элегазового - снимается.
Силовые части обоих коммутационных устройств соединены последовательно и управляются своими индивидуальными приводами. Чтобы они одновременно работали создано устройство управления синхронизированных координатных операций, которое передает команды на управляющий механизм с независимым питанием по оптоволоконному каналу.
За счет применения высокоточных технологий разработчикам конструкции удалось достичь согласованности действий исполнительных механизмов обоих приводов, которая укладывается в промежуток времени менее одной микросекунды.
Управление выключателем происходит от блока релейной защиты, встроенного через ретранслятор в линию электропередачи.
Гибридный выключатель позволил значительно повысить эффективность составных элегазовых и вакуумных конструкций за счет использования их совместных характеристик. При этом удалось реализовать преимущества перед другими аналогами:
1. способность надежно отключать токи КЗ при высоковольтном напряжении;
2. возможность небольшого усилия для проведения коммутаций силовых элементов, которая позволила значительно уменьшить габариты и. соответственно, стоимость оборудования;
3. доступность выполнения различных стандартов для создания конструкций, работающих в составе отдельного выключателя или компактных устройств на одной подстанции;
4. способность устранять последствия быстро возрастающего восстанавливающегося напряжения;
5. возможность формирования базового модуля для работы с напряжениями до 145 киловольт и выше.
Отличительная черта конструкции - способность разрывать электрическую цепь за 5 миллисекунд, что практически невозможно выполнять силовыми устройствами других конструкций.
Гибридное устройство выключателя отмечено в числе десяти лучших разработок за год по версии технологического обзора МТИ (Массачусетского технологического института).
Подобными исследованиями занимаются и другие производители электротехнического оборудования. Они тоже добились определенных результатов. Но компания АВВ опережает их в этом вопросе. Ее руководство считает, что при передаче электроэнергии переменного тока происходят ее большие потери. Их значительно можно снизить, используя цепи высоковольтного постоянного напряжения.
