Автоматический выключатель принцип работы


Общие сведения и принцип работы автоматических выключателей

Автоматический выключатель используется для защиты приборов, подключенных к электрической цепи, и проводки. Простота в обслуживании, эксплуатации и монтаже сделали этот прибор незаменимым помощником для потребителей электрической энергии. Это устройство защищает сеть от избыточной нагрузки, а также спасает от последствий короткого замыкания.

Основные сведения об устройстве

Автоматические выключатели отличаются от систем с предохранителями возможностью многоразового использования. При срабатывании устройства электричество в сети отключается с помощью расцепителей: теплового или электромагнитного. Для того чтобы снова пустить ток в электрическую сеть с нагрузкой, необходимо поднять рукоятку выключателя вверх. При этом электромагнитный расцепитель сразу будет готов к работе. Тепловому же расцепителю нужно будет какое-то время, чтобы остыть, после чего он вернется в первоначальное положение и снова будет готов выполнять свою функцию.

Благодаря небольшим размерам автоматический выключатель имеет довольно компактный вид. Монтаж его осуществляется на дин-рейку, для чего на задней поверхности корпуса есть фиксатор-защелка.

Автоматический выключатель легко можно разобрать. Для этого нужно разъединить две половинки пластикового корпуса, изготовленного из полимера-диэлектрика. Внутри прибора помещаются следующие элементы:

  • верхняя и нижняя клеммы;
  • подвижный контакт;
  • закрепленный контакт;
  • медный проводник;
  • камера гашения дуги;
  • отвод газов при горении дуги;
  • рукоятка управления;
  • тепловой расцепитель;
  • винт регулирования теплового расцепителя;
  • электромагнитный расцепитель.

Главное назначение данных устройств – это предохранение электрической сети от тока короткого замыкания, а также тока избыточной нагрузки. Более всего распространены модульные автоматические выключатели, рассчитанные на небольшие токи. Они нужны в быту и на производственных предприятиях.

Есть еще один вид автоматов – это автоматический выключатель света. Назначение его не защита, а энергосбережение. В качестве выключателей энергии в данном случае используются различные датчики:

  • звуковые;
  • датчики движения;
  • датчики освещения.

Автоматический выключатель такого типа используется часто в местах общего пользования: на лестницах, в холлах, в общественных местах. В результате они позволяют экономить до 95 % электроэнергии.

Характеристики защитных устройств

Автоматические выключатели обладают рядом характеристик, которые влияют в конечном итоге на выбор того или иного устройства. Вот основные критерии:

  1. Количество полюсов. Данные приборы бывают одно-, двух-, трех- или четырехполюсными. Выбор нужного варианта зависит от числа фаз электрической цепи. Если сеть нагрузки однофазная, то используют 1- или 2-х полюсные устройства, если сеть нагрузки трехфазная – то 3- или 4-х полюсные. В быту используют 1- или 2-х полюсные автоматические выключатели.
  2. Номинальный ток. Это максимальная рабочая величина для данного прибора. Он должен быть равен или больше тока в защищаемой сети. Причем номинальный ток защитного устройства должен превышать суммарный ток, куда включаются и токи перегрузки. Перегрузка обычно составляет 113-145 % от рабочего тока цепи.
  3. Номинальное напряжение прибора – это та величина, на которую рассчитан выключатель. Он не должен быть меньше напряжения самой сети.
  4. Отключающая способность (величина тока короткого замыкания). Это способность отключать большие токи – больше, чем при коротком замыкании. Для бытовых нужд используют автоматические выключатели с отключающей способностью 3 кА.
  5. Предельный ток короткого замыкания. Это та величина, которую может выдержать автоматический выключатель без каких-либо повреждений. Для бытовых приборов эта величина колеблется от 1000 до 10000 А. Величина предельного тока индивидуальна для каждого устройства. При превышении заданной границы возможны повреждения контактов.

Характеристики по Госстандарту

Кроме перечисленных параметров, существуют и другие, содержащиеся в ГОСТ 9098-78. Согласно этому ГОСТ, защитные устройства электрических сетей могут различаться по следующим признакам:

  1. По типу тока. Автоматы могут быть рассчитаны на постоянный или переменный ток, а также на постоянный и переменный одновременно. При этом величины номинальных значений для цепей прописаны в ГОСТ 6827, согласно которому они меняются от 6,3 А до 6300 А.
  2. По типу исполнения. Бывают модульные автоматы в литом корпусе и автоматические воздушные выключатели. Последние рассчитаны на самые большие токи – от 800 А до 6300 А, а также отличаются от других большими размерами.
  3. По количеству полюсов – от одного до четырех.
  4. По наличию функции ограничения тока.
  5. По типу расцепителей. Различают максимальные или независимые расцепители, а также минимальный или нулевой расцепитель напряжения.
  6. По времени задержки срабатывания. Встречаются автоматы без задержки времени; с задержкой, независимой от тока или обратно зависимой от него; с комбинацией перечисленных вариантов.
  7. По присутствию контактов для малых цепей.
  8. По порядку присоединения внешних кабелей. Бывают исполнения автоматов с задним или передним подсоединением, а также с различными сочетаниями передних и задних подсоединений.
  9. По способу крепления. Есть автоматические выключатели стационарные или с втычными контактами.
  10. По типу срабатывания отсечки – селективные и неселективные автоматы. Селективными автоматами называются такие, у которых отсечка тока происходит с задержкой по времени около 0,25-0,6 сек.
  11. По типу механизма срабатывания. Бывают механизмы ручные, пружинные и двигательные.
  12. По способу защиты устройства от факторов окружающей среды. Требования по безопасности и сохранности прибора перечислены в ГОСТ 14255.

Кроме перечисленных ГОСТов, есть еще ряд правил, касающихся эксплуатации, монтажа, безопасности и других вопросов:

  • ГОСТ 17516.1-90;
  • ГОСТ 12.2.007.0-75;
  • ГОСТ 12.1.038-82;
  • ГОСТ 15543-70;
  • ГОСТ 15150-69.

Время-токовая характеристика

Данная характеристика показывает зависимость времени, необходимого для отключения электричества в сети, от силы тока, проходящего через прибор. Маркировка автоматических выключателей, нанесенная на корпус, показывает время-токовую характеристику данного устройства. Она обозначается латинскими буквами В, С или D, которые обозначают диапазон токов для мгновенного отключения сети.

Другими словами, время-токовая характеристика описывает чувствительность прибора, то есть минимальный ток, при котором срабатывает устройство. Обозначения B, C и D показывают, во сколько раз возросший ток превышает номинальное значение:

  • В – в 3-5 раз;
  • С – в 5-10 раз;
  • D – в 10-20 раз.

Например, расшифровка такой записи, как В16, говорит о том, что номинальный ток для данного прибора 16 А, а минимальный, при котором происходит отключение, лежит в диапазоне 48-80 А.

В бытовом использовании чаще применяются автоматы с характеристиками B и С. А вот характеристика D используется там, где есть большое энергопотребление при запуске приборов в сети.

Принцип работы защитного устройства

Основные элементы любого автомата – это система контактов, механизмы расцепления и дугогасительная камера. При обычном режиме работы автоматический выключатель постоянно пропускает через себя ток, питающий защищаемую сеть нагрузки. Проходя через систему подвижных и неподвижных контактов, ток поступает сначала на катушку соленоида – электромагнитный расцепитель, затем на биметаллическую пластину – тепловой расцепитель, и только потом через клеммы подается на основную сеть нагрузки.

Принцип работы защитного устройства

В аварийном режиме, который наступает при перегрузке сети или коротком замыкании, автоматический выключатель прерывает цепь, по которой протекает электричество, защищая тем самым сеть нагрузки от повреждений. Прерывание цепи происходит с помощью расцепителей тока. Например, в модульных автоматах используются электромагнитный и тепловой расцепители. Электромагнитный нужен для отключения при коротком замыкании, а тепловой – при перегрузках.

Тепловой

Выглядит как пластина из двух сплавов металлов. Эти сплавы обладают отличающимися коэффициентами линейного расширения при нагревании. Биметаллическая пластина постоянно пропускает через себя электричество и, соответственно, нагревается, что приводит к увеличению ее линейных размеров. За счет наличия двух металлов с разными коэффициентами расширения пластина при нагревании изгибается. Когда происходит перегрузка в сети, пластина нагревается и изгибается настолько, что приводит в действие механизм, размыкающий цепь, и ток перестает подаваться.

Электромагнитный

Это катушка со стальным сердечником, по которой течет ток. Проходя по намотке катушки, он создает магнитное поле, которое втягивает сердечник внутрь соленоида. Но сердечник удерживается пружиной, и при обычной работе прибора силы тока недостаточно, чтобы сердечник превысил сопротивление пружины. В аварийном же режиме при резком возрастании тока сердечник, преодолевая сопротивление пружины, втягивается внутрь катушки, размыкая цепь.

При аварийном режиме работы происходит отсоединение контактов, в результате образуется электрическая дуга. Чем мощнее ток, вызвавший отключение аппарата, тем большей мощностью и разрушающей силой обладает дуга. Возникающая дуга разрушает контакты и оплавляет пластмассовые элементы корпуса.

Для нейтрализации действия электрической дуги в устройстве автомата предусмотрена дугогасительная камера. Она выполняет три важные задачи:

  • ограничение дуги в пространстве;
  • гашение ее за счет множества пластин, разъединенных между собой диэлектриком;
  • отвод газов, образующихся при горении дуги, через предусмотренные для этого отверстия в дугогасительной камере.

Приобретая автоматический выключатель, необходимо учесть множество факторов. Именно поэтому их выбор лучше доверить квалифицированному специалисту, например, проектировщику. Ведь если все характеристики рассчитаны под конкретную сеть нагрузки и устройство подобрано верно, то оно наилучшим образом защитит подключенные приборы и проводку, а также здоровье и жизнь.

energomir.biz

Устройство автоматического выключателя (АВ)

Главная > Выключатели и розетки > Устройство автоматического выключателя (АВ)

Предшественником АВ в быту был автоматический предохранитель, он вворачивался в штатное гнездо «пробки». Такие предохранители были рассчитаны на токи 5, 6,3, 10, 16 и 25 ампер.

Устройство автоматического выключателя в разрезе

В свое время автоматические предохранители стали шагом вперед в защите сети от аварий, но их конструкция была несовершенной: при эксплуатации более года параметры сильно изменялись, и отключения начинали происходить даже, когда сила тока в цепи была намного меньше защитного.

Предшественник АВ — автоматический предохранитель

Виды

Следующим шагом в повышении безопасности при эксплуатации бытовой электросети стало внедрение автоматических выключателей, они уже выполняли не только функции защиты, но и штатных выключателей. Механизм этих устройств более совершенный и надежный.

Существует целая линейка АВ это: одно-, двух-, трех- и четырехполюсные. Первые два вида преимущественно используются в быту, а остальные в трехфазной сети, в промышленности и производстве.

Одно-, двух-, трехполюсные автоматические выключатели

Однополюсный АВ

Далее приведено устройство однополюсного АВ, но все, что сказано о нем, справедливо и для всех остальных видов.

На рисунке изображен механизм автоматического выключателя. Если проследить путь тока через АВ, то станет понятен принцип его работы.

Схема строения автоматического выключателя

Электрический ток проходит от правой клеммы 2 через замкнутые подвижный 3 и неподвижный 4 контакты, через медную шину и катушку 7, далее биметаллическую пластину 5, к левой клемме 6.

Абсолютно не важно, течет ток от правой клеммы к левой или, наоборот, все процессы в электрической цепи переменного напряжения всегда протекают одинаково.

Аварийное отключение при превышении номинального тока Температурный (биметаллический) расцепитель представляет собой пластину, которая изготовлена из двух слоев разных металлов. При протекании по ней электротока она нагревается, а так как металлы имеют различные коэффициенты расширения, то пластина изгибается.

Чем больший ток протекает по ней, тем сильнее она изгибается, а когда ток становится больше номинального, на который рассчитан автомат, он действует на спусковой механизм и разрывает цепь.

Этот же ток протекает и через катушку, но возникающая магнитная сила не может преодолеть сопротивление пружины, и сердечник не втягивается внутрь катушки, поэтому отключение происходит только благодаря работе температурного расцепителя.

Аварийное отключение

В случае короткого замыкания ток в цепи возрастает до бесконечной величины в течение нескольких миллисекунд.

Протекающий через катушку магнитного расцепителя (7) ток создает мощный магнитный импульс, который втягивает сердечник внутрь. А так как он связан с подвижным контактом (3), то цепь разрывается, другим концом сердечник нажимает на спусковой механизм, тот срабатывает и не позволяет замкнуть цепь после окончания действия магнитного импульса.

Магнитный расцепитель – это катушка (соленоид) из довольно толстого медного провода. Если по ней течет ток, значительно, в 3-20 раз, превышающий номинальный(In), магнитное поле в катушке достигает порога срабатывания, сердечник втягивается, отводит подвижный контакт от неподвижного, а другим концом воздействует на спусковой механизм, происходит выключение нагрузки.

Магнитный расцепитель в виде катушки

При аварийном или ручном отключении между контактами возникает электрическая дуга, это явление вредное. Для уменьшения воздействия дугового разряда на поверхность контактов применяется дугогасительная камера, она состоит из ряда металлических пластин, закрепленных на двух параллельных стенках из электротехнического картона.

Электрическая дуга – это плазма, под действием собственного магнитного поля она втягивается в промежутки между пластинами, отдавая им тепло, быстро остывает и гаснет. В автоматическом выключателе реализованы два независимых канала слежения за состоянием электрической цепи.

Один из них – тепловой, он следит за «медленным» изменением силы тока, и если она превышает предельное значение в течение длительного времени (до нескольких десятков минут), то происходит отключение.

Второй канал – электромагнитный, он следит за быстрым изменением: если в цепи возникает «бросок» силы тока, то в катушке этого канала появляется мощный магнитный импульс, он отключает потребителя от сети.

Следует иметь в виду, чтоавтоматический выключатель защищает электропроводку от повреждения, но предотвратить поражение человека электрическим током в случае пробоя на корпусе он не может!

Принцип подбора

Для выбора автомата необходимо знать силу тока в сети, которую необходимо защищать от перегрузки. Ее можно легко посчитать.

Сила тока в проводке зависит от мощности имеющихся в доме бытовых приборов:

I=W/U *Ко, где:

o I – сила тока в сети (в Амперах). o W – суммарная мощность всех бытовых приборов (в ваттах). o U – напряжение сети (обычно 220 вольт).

o Ко – коэффициент «одновременности».

Разумеется, все имеющиеся в доме приборы одновременно работать не будут, поэтому полученный результат нужно умножить на коэффициент «одновременности», его можно определить из приведенной таблицы.

Мощность бытовых приборов обычно указывается на шильдике или прямо на корпусе, также ее можно узнать в паспорте этого изделия.

Соответствие мощности (W) коэффициенту спроса (Ко)

Мощность бытовых приборов (W), кВтдо 14203040506070 и более
Коэффициент одновременности (спроса) (Ко)0,80,650,60,550,50,480,45

В тоже время полезно учитывать тот фактор, что в быту во многих приборах, например, холодильниках, кондиционерах, системах вентиляции, электроинструментах используются довольно мощные электродвигатели.

В технических характеристиках часто указывается cos(φ) – это так называемый коэффициент мощности, он показывает сдвиг фаз тока и напряжения, который обусловлен индуктивностью обмоток электродвигателей.

Соответствие значений коэффициента мощности cos(φ)

Значение коэффициента мощностиВыск.Хорош.Уд.Низк.Неуд.
cos(φ)0,95...10,8...0,950,65...0,80,5...0,650...0,5

Также сдвиг фаз вызывают люминесцентные лампы старой конструкции, потому что в них использовались дроссели большой индуктивности, а они вызывают сдвиг фаз. В современных лампах этого типа для управления и регулирования используются электронные схемы.

Поэтому для более точной оценки потребляемого тока необходимо учитывать и cos φ этих приборов.

Окончательная формула будет выглядеть так:

I=W/U *Ко* cos φ

Коэффициент мощности для двигателя указывается на бирке, прикрепленной к корпусу двигателя. По приведенной выше таблице можно определить «качество» двигателя.

Проделав эти нехитрые вычисления, можно приблизительно оценить, какой ток будет в сети.

Теперь необходимо подобрать автомат по параметрам, учитывая, что I

elquanta.ru

Принцип работы автоматического выключателя

Для защиты электропроводки в квартирах и частных домах от короткого замыкания и токовой перегрузки практически всегда используют электрические автоматические выключатели модульной конструкции. Они компактны, легко монтируются и заменяются, в случае необходимости, этим и объясняется их широкое применение в быту.

На вид автомат (АВ) представляет собой корпус из термостойкой пластмассы. На лицевой поверхности расположена рукоятка (флажок) включения и выключения, на тыльной стороне – фиксатор-защелка для крепления на DIN-рейке, а сверху и снизу – металлические винтовые клеммы.

В данной статье рассмотрим принцип работы автоматического выключателя, устанавливаемого в наших квартирах и домах.

Принцип работы автомата

В режиме штатной работы через автомат протекает ток, меньший или равный номинальному значению. Питающее напряжение от внешней сети подается на верхнюю клемму, соединенную с неподвижным контактом. С неподвижного контакта ток поступает на замкнутый с ним подвижный контакт, а от него, через гибкий медный проводник – на катушку соленоида. После соленоида ток подается на тепловой расцепитель и уже после него – на нижнюю клемму, с подключенной к ней сетью нагрузки.

В аварийных режимах автоматический выключатель отключает защищаемую цепь за счет срабатывания механизма свободного расцепления, приводимого в действие тепловым или электромагнитным расцепителем. Причиной такого срабатывания является перегрузка или короткое замыкание. Тепловой расцепитель – это биметаллическая пластина, состоящая из двух слоев сплавов с различными коэффициентами термического расширения. При прохождении электрического тока пластина нагревается и изгибается в сторону слоя с меньшим коэффициентом термического расширения. При превышении заданного значения силы тока, изгиб пластины достигает величины, достаточной для приведения в действие механизма расцепления, и цепь размыкается, отсекая защищаемую нагрузку.

Электромагнитный расцепитель состоит из соленоида с подвижным стальным сердечником, удерживаемым пружиной. При превышении заданного значения тока, по закону электромагнитной индукции в катушке наводится электромагнитное поле, под действием которого сердечник втягивается внутрь катушки соленоида, преодолевая сопротивление пружины, и вызывает срабатывание механизма расцепления. В нормальном режиме работы в катушке также наводится магнитное поле, но его силы недостаточно, чтобы преодолеть сопротивление пружины и втянуть сердечник.

Принцип работы автомата в режиме перегрузки цепи

Режим перегрузки возникает, когда ток в подключенной к автомату цепи превышает номинальное значение, на которое рассчитан автоматический выключатель. При этом повышенный ток, проходящий через тепловой расцепитель, вызывает повышение температуры биметаллической пластины и, соответственно, увеличение ее изгиба вплоть до срабатывания механизма расцепления. Автомат отключается и размыкает цепь.

Срабатывание тепловой защиты не происходит мгновенно, поскольку на разогрев биметаллической пластины потребуется некоторое время. Это время может варьироваться в зависимости от величины превышения номинального значения тока от нескольких секунд до часа. Такая задержка позволяет избежать отключения питания при случайных и непродолжительных повышениях тока в цепи (например, при включении электродвигателей которые имеют большие пусковые токи).

Минимальное значение тока, при котором должен сработать тепловой расцепитель, устанавливается при помощи регулировочного винта на заводе-изготовителе. Обычно это значение в 1,13-1,45 раз превышает номинал, указанный на маркировке автомата. На величину тока, при котором сработает тепловая защита, влияет и температура окружающей среды. В жарком помещении биметаллическая пластина прогреется и изогнется до срабатывания при меньшем токе. А в помещениях с низкими температурами ток, при котором сработает тепловой расцепитель, может оказаться выше допустимого.

Причиной перегрузки сети является подключение к ней потребителей, суммарная мощность которых превышает расчетную мощность защищаемой сети. Одновременное включение различных видов мощной бытовой техники (кондиционер, электрическая плита, стиральная и посудомоечная машина, утюг, электрочайник и т.д.) – вполне может привести к срабатыванию теплового расцепителя.

В этом случае определитесь, какие из потребителей можно отключить. И не спешите снова включать автомат. Вы все равно не сможете взвести его в рабочее положение, пока он не остынет, а биметаллическая пластина расцепителя не вернется в свое исходное состояние. Теперь вы знаете как работает автоматический выключатель при перегрузках

Работа выключателя во время короткого замыкания

В случае короткого замыкания принцип работы автоматического выключателя иной. При коротком замыкании ток в цепи резко и многократно возрастает до значений, способных расплавить проводку, а точнее изоляцию электропроводки. Для того чтобы предотвратить такое развитие событий необходимо мгновенно разорвать цепь. Электромагнитный расцепитель именно так и срабатывает.

Электромагнитный расцепитель представляет собой катушку соленоида, внутри которой расположен стальной сердечник, удерживаемый в фиксированном положении пружиной. Многократное возрастание тока в обмотке соленоида, происходящее при коротком замыкании в цепи, приводит к пропорциональному возрастанию магнитного потока, под действием которого сердечник втягивается в катушку соленоида, преодолевая сопротивление пружины, и нажимает на спусковую планку механизма расцепления. Силовые контакты автомата размыкаются, прерывая питание аварийного участка цепи.

Таким образом, срабатывание электромагнитного расцепителя защищает от возгорания и разрушения электропроводку, замкнувший электроприбор и сам автомат. Время его срабатывания составляет порядка 0,02 секунды, и электропроводка не успевает разогреться до опасных температур. В момент размыкания силовых контактов автомата, когда по ним проходит большой ток, между ними возникает электрическая дуга, температура которой может достигать 3000 градусов. Чтобы защитить контакты и другие детали автомата от разрушительного воздействия этой дуги, в конструкции автомата предусмотрена дугогасительная камера. Дугогасительная камера представляет собой решетку из набора металлических пластин, которые изолированы друг от друга.

Дуга возникает в месте размыкания контакта, а затем один ее конец движется вместе с подвижным контактом, а второй скользит сначала по неподвижному контакту, а потом по соединенному с ним проводнику, ведущему к задней стенке дугогасительной камеры. Там она делится (дробится) на пластинах дугогасительной камеры, слабеет и гаснет. В нижней части автомата предусмотрены специальные отверстия для отвода газов, образующихся при горении дуги.

В случае отключения автомата при срабатывании электромагнитного расцепителя, вы не сможете пользоваться электричеством до тех пор пока не найдете и не устраните причину короткого замыкания. Вероятнее всего причина в неисправности одного из потребителей.

Отключите все потребители и попробуйте включить автомат. Если вам это удалось и автомат не выбивает, значит, действительно – виноват один из потребителей и вам осталось выяснить какой именно. Если же автомат и с отключенными потребителями снова выбивает, значит все гораздо сложнее, и мы имеем дело с пробоем изоляции проводки. Придется искать, где это произошло.

elektrikdom.com


Смотрите также