Книга: Профессиональные советы домашнему электрику
Назад: 11.2. Ввинчиваемые автоматические выключатели ПАР с резьбой Е-27
Дальше: Глава 12 УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ
11.3. Современные автоматические выключатели, устанавливающиеся на DIN-рейку
Устройство современного автоматического выключателя
Автоматический выключатель тока — это механический аппарат, который в нормальном состоянии способен включать, отключать и проводить токи, а при аномальных состояниях цепи (короткое замыкание, нагрев линии) автоматически отключать токи или проводить в течение заданного времени, в зависимости от характеристики тока мгновенного расцепления.
Примечание.
Автомат защищает не нагрузку (от замыканий или других проблем). Автомат защищает питающую линию (кабель)! Это необходимо запомнить! Автомат не влияет на то, что стоит после кабеля. Задача автоматического выключателя— спасти кабель от перегрузки, перегрева, КЗ и возгорания.
Рассмотрим устройство автоматического выключателя на примере модульного автомата (автоматического выключателя), как наиболее часто применяемого быту для управления и защиты от коротких замыканий и перегрузок электропроводки. Устройство автоматических выключателей, независимо от номиналов, практически одинаково (рис. 11.6). Поэтому рассмотрим его типовой вариант.
Рис. 11.6. Устройство современного автоматического выключателя
Корпус автоматического выключателя выполнен из пластика, не поддерживающего горение. Под воздействием высокой температуры, это материал может оплавиться, может потерять свою форму, но он не горит и даже при сильном нагреве не может стать источником возгорания.
Контактная пара состоит из неподвижного и подвижного контакта. Форма и материал его тщательно подбираются, исходя из требуемого режима работы. Катушка электромагнитного расцепителя имеет необходимое сечение провода и требуемое количество витков для расчетного тока срабатывания в режиме короткого замыкания.
Рычаг управления позволяет включать и отключать автоматический выключатель. Дугогасящая камера вступает в работу только в экстремальных ситуациях, когда при разрыве контактов возникла мощная электрическая дуга, и ее энергию необходимо погасить.
Биметаллическая пластина служит, своего рода измерительным инструментом, и определяет силу тока, текущего в линии.
Регулировочный винт предназначен ТОЛЬКО для заводских настроек. Именно при его помощи возможна точная подстройка автоматического выключателя на заданные номиналы срабатывания. Для подсоединения линии к автоматическому выключателю предназначены винтовые зажимы.
Принцип действия автоматического выключателя
Принцип действия автоматического выключателя достаточно прост. Хотя технология изготовления качественных автоматов сложна. При включении автомата напряжение, подаваемое на нижнюю винтовую клемму (рис. 11.13), проходит через биметаллическую пластину (ТЕПЛОВОЙ РАСЩЕПИТЕЛЬ) и через катушку ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСЦЕПИТЕЛЯ, поступая на подвижный контакт.
Далее, через неподвижный контакт, напряжение поступает на верхнюю винтовую клемму, к которой подключается «отходящий» провод — нагрузка.
Защитное отключение автоматического выключателя происходит при срабатывании механизма расцепления, приводя к размыканию подвижного контакта.
Механизм расцепления, в зависимости от силы проходящего тока или времени превышения допустимого уровня тока, может быть приведен в действие двумя способами.
1. Срабатывает ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЩЕПИТЕЛЬ. При КЗ (коротком замыкании) и значительном резком увеличении тока, проходящего через автомат, образуется электромагнитное поле, которое втягивает сердечник. Это приводит в действие механизм расцепления.
2. Срабатывает ТЕПЛОВОЙ РАСЦЕПИТЕЛЬ.
Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При длительном прохождении через автоматический выключатель токов со значениями, превышающими допустимые, происходит постепенный нагрев биметаллической пластины. При этом биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока и может изменяться от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать тепловой расцепитель, составляет 1,45 от номинального тока предохранителя. Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом.
Примечание.
В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.
Из-за больших токов в ряде случаев при расцеплении контактов образуется дуга. Для ее нейтрализации в устройство автоматического выключателя обязательно входит дугогасящая камера. Она представляет собой набор металлических пластин особой формы, закрепленных параллельно.
В качестве дополнительной защиты от прогорания корпуса автоматического выключателя применяется специальная металлическая пластина, расположенная под контактной парой.
Внимание.
При замене автоматического выключателя никогда не увеличивать номинал тока, который был указан на предыдущем автомате, или прописан в проекте или схеме.
Это очень важно, так как автоматический выключатель должен сработать при аварийной ситуации, а не стать самим источником ее. Чтобы автоматический выключатель прослужил долго — его надо правильно установить. Обычно все проблемы возникают только от плохо затянутых контактов.
Периодическая инспекция электрического щита, выявление мест локального нагрева и протяжка контактов позволит избежать проблем с электроснабжением.
Разновидности автоматов защиты по количеству полюсов
Структурная схема однополюсного автоматического выключателя представлена на рис. 11.7.
Рис. 11.7. Структурная схема однополюсного автоматического выключателя
Однополюсный автоматический выключатель (рис. 11.8) характеризуется наличием двух клемм, к которым подключаются входящий и отходящий токонесущие провода. Обычно клеммы находятся на разных сторонах автомата. Это сделано:
♦ для максимального удаления клемм друг от друга в связи с технологией изготовления автоматического выключателя;
♦ для облегчения монтажа автомата и его электрического подключения в схему электропитания.
Рис. 11.8. Внешний вид однополюсного автоматического выключателя
Однополюсные автоматы применяются для защиты фазного провода, в основном в однофазных двухпроводных линиях электропитания.
Двухполюсный автоматический выключатель (рис. 11.9) имеет две пары клемм для подключения питания и нагрузки, расположенных, обычно, на разных сторонах автомата по технологическим причинам и с целью облегчения монтажа схем электроавтоматики.
Рис. 11.9. Внешний вид двухполюсного автоматического выключателя
Двухполюсные автоматы применяются для защиты однофазных двухпроводных электропроводок, защищая как фазный провод одним полюсом, так и нейтральный провод другим полюсом, хотя возможно их применение и для защиты двух фазных проводов двухпроводных однофазных проводок, в тех случаях, когда необходимо их одновременное обесточивание в случае аварийной ситуации.
Трехполюсный автоматический выключатель (рис. 11.10) имеет три пары клемм, три клеммы для подключения питания и три для подключения нагрузки. Они также располагаются на разных сторонах автомата по технологическим причинам и с целью облегчения монтажа схем электроавтоматики.
Рис. 11.10. Внешний вид трехполюсного автоматического выключателя
Трехполюсные автоматы применяются для защиты трехфазных электроцепей и трехфазных нагрузок, за исключением случаев их применения в качестве вводных автоматов, при котором трехфазная сеть, после трехполюсного автомата преобразуется в три однофазных проводки.
Так же возможны другие, но еще более экзотичные виды применения трехфазных автоматов, когда один из полюсов автомата (например, первый) является выключателем для двух других, к которым подключены электроприборы, обязанные прекратить работу, в случае аварийной ситуации на первом полюсе.
Четырехполюсный автоматический выключатель (рис. 11.11) обладает максимальным в классе количеством клемм подключения питания и нагрузки, 4 на 4. Основное применение — защита трехфазных электропроводок и нагрузок. Четырехполюсный автомат позволяет реализовать еще большее количество разных схем подключения, чем трехполюсный и двухполюсный автоматы.
Рис. 11.11. Внешний вид четырехполюсного автоматического выключателя
Четырехполюсный автомат также может использоваться вместо трех-, двух- и однополюсного автоматического выключателя путем подключения только нужного количества полюсов, те подключая только необходимое количество пар проводов, что экономически не выгодно, однако дает некоторую свободу маневра.
Времятоковые характеристики срабатывания по электромагнитному расщепителю
Электромагнитный расцепитель предназначен для защиты от короткого замыкания. В атом случае ток в линии будет очень большим по сравнению с обычной перегрузкой (в десятки раз), и линию надо отключить мгновенно. Для этого используется обычный электромагнит: катушка с проволокой и сердечник, который приводит в действие механизм автомата, заставляя его выключиться. Пошел огромный ток — электромагнит втянулся, отрубил линию.
Практика показывает, что когда запускается пылесос или зажигается люстра с лампами накаливания, в линии происходит довольно большой бросок тока, в несколько раз превышающий номинальный ток автомата защиты. При этом автомат должен бы отключиться. Но этого не происходит. Кратность пусковых токов некоторых потребителей электроэнергии приводится в табл. 11.1, а номинальная потребляемая мощность бытовых приборов и инструмента — в табл. 11.2.
Разработчики автоматов придумали так называемую «времятоковую характеристику автомата». Для простоты ее часто называют «характеристикой автомата», или просто «характеристикой» или «категорией отключения». Характеристика срабатывания размыкающих устройств автоматических выключателей выбирается в зависимости от типа подключаемой нагрузки.
Обозначается она на корпусе буквой (на рис. 11.12 — буква С) перед номиналом автомата: А (только у европейский производителей), В, С, D, К и Z. Эта характеристика определяет ток и время, при которых будет срабатывать электромагнитный расцепитель автомата. Вот три основных варианта.
Рис. 11.12. Обозначения на корпусе автомата защиты
Характеристика срабатывания типа В самая чувствительная и показана к применению в квартирах и жилых зданиях, где нагрузки больше активные, а какие-нибудь мощные двигатели включаются редко.
Рекомендуется использовать для осветительных сетей общего назначения. Допускает кратковременное превышение номинала в 3–5 раз!
Характеристика срабатывания типа С — самая распространенная и годится для общих случаев: служат для размыкания осветительных цепей и установок с умеренными пусковыми токами (двигатели и трансформаторы).
При этом у выключателей с характеристикой типа С перегрузочная способность магнитного размыкателя почти вдвое выше по сравнению с выключателями с характеристикой типа В. Допускает кратковременное превышение номинала в 5-10 раз!
Характеристика срабатывания типа D рекомендуется для сетей, предусматривающих питание станков, больших моторов и прочих устройств, где могут быть большие перегрузки при их включении, также в цепях с активно-индуктивной нагрузкой. Допускает кратковременное превышение номинала в 10–20 раз!
Примечание.
Так вот оказывается, что представленные на рис. 11.12 автоматы С16 имеют диапазон токов, при котором они отключаются мгновенно (~ 0,1 с), не 16 А, а 80-160 А Этот параметр задан буквой «С».
Для наглядности эти характеристики для автоматов приводятся в виде графиков (рис. 11.13).
Рис. 11.13. Наиболее распространенные времятоковые характеристики автоматов защиты
(Характеристики срабатывания автоматических выключателей В и С согласно DIN VDE 0641 и D согласно IEC 947-2)
Автоматы с остальными характеристиками используются редко. Автоматические выключатели с характеристикой срабатывания типа А предназначены для размыкания цепей с большой протяженностью электропроводки и для защиты полупроводниковых устройств. Для подключения индуктивной нагрузки рекомендуется использовать автоматические выключатели с характеристикой срабатывания типа К. Если в качестве нагрузки используются электронные устройства, их подключение лучше производить через автоматические выключатели с характеристикой срабатывания типа Z.
Подавляющее большинство автоматов на российском рынке предлагается с характеристикой типа С, с характеристикой типа В продаются, как правило, автоматы на малые токи, остальные — поставляются в основном под заказ.
Параметры срабатывания линейных защитных автоматов согласно DIN VDE 0641 и IEC 60 898 приведены в табл. 11.3.
Из табл. 11.3 следует, что трехкратную перегрузку автоматический выключатель с характеристикой типа В должен как минимум выдерживать 0,1 с, а при пятикратной перегрузке встроенное электромагнитное реле должно отключить автоматический выключатель менее чем за 0,1 секунду.
Внимание.
При использовании в цепи постоянного тока характеристики максимального испытательного тока электромагнитного расцепителя изменятся (рис. 11.14).
Рис. 11.14. Характеристики срабатывания автоматических выключателей для постоянного и переменного тока
Граничные значения испытательных токов электромагнитного расцепителя при переменном (50 Гц) и постоянном токах представлены в табл. 11.4.
Времятоковые характеристики срабатывания по тепловому расщепителю
Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления.
Время срабатывания зависит от тока и определяется времятоковой характеристикой срабатывания (тоже типы В, С, D). Время может быть разным: от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать тепловой расцепитель, составляет 1,45 от номинального тока предохранителя. Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.
Параметры срабатывания по тепловому расцепителю автоматов защиты представлены в табл. 11.5.
Из табл. 11.5 следует, что при перегрузке до 13 % номинального тока, автоматический выключатель должен отключиться не ранее, чем через час (т. е. выдерживать перегрузку 13 % минимум в течение часа). При перегрузке до 45 % тепловое реле должно отключить «автомат» в течение часа.
Примечание.
При использовании в цепи постоянного тока характеристики срабатывания теплового расцепителя остаются теми же, что и в сетях переменного напряжения.
Особенности работы тепловых расцепителей многополюсных автоматических выключателей
Тепловые расцепители, используемые в автоматических выключателях, чувствительны к нагреву от посторонних источников. В практике нередко случается, что расцепитель промежуточного полюса при номинальном режиме отключается только из-за нагрева соседних полюсов. Это приводит к ограничению области его работы и к коррекции номинального тока с учетом графика (рис. 11.15). На графике Кн = I/Iн — это коэффициент нагрузки; N — количество полюсов автоматического выключателя.
Рис. 11.15. Нагрузочная способность автоматических выключателей при их размещении рядом
Особенности работы тепловых расцепителей автоматических выключателей, установленных в ряд один за другим
Установленные рядом автоматы защиты оказывают влияние друг на друга, т. к. при работе их биметаллические пластины греются проходящим через них током. Даже если он не превышает допустимой нормы. В итоге это тепловое влияние обусловливает при расчете допустимой нагрузки специальный поправочный коэффициент Кп представленный в табл. 11.6.
Влияние окружающей температуры на тепловое срабатывание автоматического выключателя
Нагрузочная характеристика большинства автоматических выключателей зависит от температуры окружающей среды: при ее снижении коэффициент нагрузки увеличивается, при повышении — падает. Это ограничивает возможность их использования в условиях жесткого температурного режима эксплуатации, особенно в горячих цехах или в условиях открытого воздуха. Для наглядности приведен оценочный график такой зависимости (рис. 11.16).
Рис. 11.16. Нагрузочная способность автоматических выключателей в зависимости от температуры окружающей среды
В табл. 11.7 приведены уточненные значения расчетного тока в зависимости от окружающей температуры. Приведенные в столбце «30 °C» токи соответствуют номинальным токам автоматического выключателя, так как при этой температуре задается режим срабатывания.
Рабочее напряжение автоматического выключателя
Применение автоматического выключателя, как любого электрического прибора, обуславливается напряжением питающей его сети. Маркировка, обозначающая рабочее напряжение автомата, является обязательной и выносится на переднюю поверхность.
Для модульных автоматов она может быть 220, 230, 250, 380, 400, обозначая соответствие 220 В и 380 В (см. ранее рис. 11.12).
Кроме указания рабочего напряжения, в том же блоке маркировки указывается вид тока, для которого работы с которым данный автомат предназначен. Наиболее часто встречающимся обозначением, указанным на изображении, является ~, обозначающим переменный ток.
Предельный ток короткого замыкания автоматического выключателя
Предельный ток короткого замыкания автомата является важной характеристикой для применения автоматов. Данная характеристика определяет максимальный ток, при протекании которого через автомат, автоматический выключатель сможет разомкнуть цепь хотя бы один раз (см. ранее рис. 11.19, указан предельный ток 6000 А).
Эта характеристика показывает максимальный ток, при котором подвижный контакт автомата не приварится (не пригорит) к неподвижному контакту вследствие возникновения и гашении дуги при размыкании контактов.
Предельный ток короткого замыкания может достигать 10000 А. При этом ширина модуля (полюса) такого мощного выключателя больше в 1,5 раза, по сравнению с обычным автоматом, и составляет 27 мм.
Наиболее часто встречающиеся модульные автоматы имеют характеристику 4500 А. Этого достаточно, так как в бытовых электросетях токи короткого замыкания обычно не достигают более высоких значений, что связано с устаревшей инфраструктурой.
Существуют так же автоматы и с другими предельными токами короткого замыкания автомата, например, 3000 А, которые широко применялись в конце 90 годов, а также устаревшие автоматы на 2000 А, которые уже не производящиеся.
Если защищаемая линия проводки находится близко от подстанции (что часто бывает на производственных площадках), то ток КЗ может быть высок. Там часто применяют 10000 А автомат. Если автомат защищает электропроводку в «свежепостроенном» доме с новой (своя подстанция) и достаточной мощности электрической инфраструктурой, предпочтительно использовать 6000 А автомат.
В других случаях вполне достаточно 4000 А автомата для реализации экономически эффективной электрозащиты.
Примечание.
С повышением предельного тока короткого замыкания от 4500 А до 10000 А стоимость автомата увеличивается, а возможность его купить — уменьшается, в связи с меньшим применением таких автоматов. Выбирайте 6000 А, не ошибетесь.
Расчет автоматического выключателя при формировании квартирного щитка
Во-первых, определяемся с нагрузками каждой линии, которые нам надо питать. Сколько они потребляют по мощности, и, следовательно, ток какой величины будет течь через их питающую линию.
Для пересчета тока в мощность можно использовать самую обычную формулу:
P = U∙I,
где Р — мощность, U — напряжение сети (220 В в нашем случае), а I — ток.
Для тока будет так: I = P/U.
Данная формула справедлива только для резистивных нагрузок типа ламп накаливания, нагревателей и пр. Но на этот факт закроем глаза, т. к. мы делаем прикидочный расчет.
Во-вторых, определяемся с видом и сечением кабеля. Смотрим на общий суммарный ток, который нам требуется, и выбираем необходимый кабель по сечению:
♦ для открытой прокладки кабеля считаем, что необходим 1 мм2 кабеля на каждые 10 А;
♦ для скрытой прокладки кабеля считаем, что необходим 1 мм2 кабеля на каждые 8 А. Рассчитываем сечение и округляем его в сторону ближайшего из стандартного ряда: 1,5; 2,5; 4; 6; 10.
Автомат выбираем на меньший ток срабатывания, чтобы он отключился раньше, чем выйдет из строя наш кабель.
В-третьих, при расчете и выборе автомата защиты учитываем рас-
смотренные на несколько страниц ранее времятоковые характеристики
срабатывания как по электромагнитному, так и тепловому расцепителю.
В-четвертых, следует помнить, что для безопасной эксплуатации электропроводки нужно выбирать:
♦ для кабеля на 1,5 мм2 автомат не более 10 А;
♦ для кабеля на 2,5 мм2 автомат не более 16 А;
♦ для кабеля на 4 мм2 автомат не более 25 А;
♦ для кабеля на 6 мм2 автомат не более 32 А.
Подробности и нюансы расчета автоматических выключателей в комплексе с остальными параметрами сети см. в главе «Электросеть многоквартирного дома», раздел «Расчеты квартирной электросети».
Назад: 11.2. Ввинчиваемые автоматические выключатели ПАР с резьбой Е-27
Дальше: Глава 12 УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ
