Как срабатывает автоматический выключатель переменного тока технические характеристики виды и типы принцип работы

Важными элементами электрической сети являются автоматические выключатели. Они предохраняют проводку от неприятных случайностей: перегрузки или короткого замыкания. Важно правильно выбрать тип элемента, учитывая характеристики автоматических выключателей: A, B, C или D.

Что такое автоматические выключатели

В отличие от предохранителей, эти элементы можно использовать многократно. Первый автоматический разъединитель появился еще в 1905 г. Усовершенствованные элементы используют и сейчас.

Для чего нужны

Автоматические выключатели (АВ) разъединяют электрическую цепь при прохождении тока, превышающего установленное значение. Это обязательные элементы проводки:

• для управления токовыми потоками в электросетях;
• для разъединения цепи в аварийной ситуации.

Иногда для ремонта проводки нужно обесточить линию электропередач. Эту возможность осуществляют путем нажатия тумблера АВ.

Возможности проводки ограничены. Для предупреждения перегрева кабельной изоляции и возгорания нужно не превышать предельные показатели шнура и всех элементов цепи. Контроль за соблюдением этого условия осуществляют АВ.

Одним из примеров превышения допустимой нагрузки служит одновременное подключение большого количества мощных приборов при слабой электропроводке. Постоянное срабатывание выключателей-автоматов свидетельствует о необходимости замены кабеля или неправильном подборе АВ.

Неисправность приборов может привести к короткому замыканию. В этом случае отсутствие автоматики или неправильный выбор выключателей бывает причиной пожара.

Кроме того, во время подключения устройств возникает т.н. «стартовый ток» – мгновенный импульс, который может быть большим при одновременном подсоединении нескольких приборов. При этом тоже важен правильный выбор класса устройств автоматического отключения.

Принцип работы выключателей

Принцип действия автоматического электромагнитного расцепителя основан на влиянии электромагнитного поля, создающегося вокруг тороидального проводника во время прохождения электрического тока. Его сила будет тем больше, чем выше величина заряда.

Чтобы понять, как работает АВ, следует рассмотреть приведенный рисунок. Возле центра катушки расположен стержень, который закреплен на пружине. Слишком большой ток, проходящий по виткам тора, создает сильное электромагнитное поле, которое способно преодолеть сопротивление спирали. В результате сердечник втягивается внутрь, увлекая за собой пружину, прикрепленную к подвижному контакту, обрывающему цепь.

Если электромагнитный расцепитель не сработал, вступает в действие тепловой разъединитель, представляющий собой биметаллическую пластину.

Его функцией является отключение цепи при перегрузке. Проходящий ток нагревает тепловой элемент. Поскольку 2 вида металла, из которых он состоит, имеют разный коэффициент расширения, часть пластины выгибается и нажимает на рычаг обрыва линии.

Как устроены – конструкция автоматики

В состав конструкции бытовых выключателей входят 2 расцепителя: тепловой и электромагнитный. Поскольку первый из них реагирует медленно (в зависимости от степени увеличения тока), в устройство входит второй разъединитель для моментальной реакции на большие значения тока при замыкании.

Кроме того, во время срабатывания расцепителей в силу физических явлений образуется электрическая дуга. Для того чтобы этого избежать, в конструкцию АВ входит элемент, состоящий из нескольких пластин. Электрическая дуга раздробляется и гасится в этой камере.

На рисунке ниже показано, как устроен автоматический выключатель.

Все узлы элемента заключены в корпус, изготовленный из пластмассы, не поддерживающей горения.

Характеристики защитных автоматических выключателей и время их срабатывания

Наиболее важные характеристики АВ указывают на его корпусе: вид устройства, номинальный ток, параметры отключения и др.

Класс элемента – А, B, C или D – обозначает его чувствительность к превышению тока. Тем самым этот параметр определяет т.н. «токовременную характеристику» устройства. Она показывает, через какой промежуток времени выключатели приходят в действие при увеличении заряда до установленного уровня. Каждому виду устройства соответствует свой порог срабатывания.

После обозначения класса АВ указывают его номинальный ток. Это значение отражает состояние, при котором выключатель будет работать в нормальном режиме.

При оценке характеристик элемента нужно отличать номинальный ток от предельно допустимого. Первый из них действует постоянно, в течение длительного времени. Второй характеризует допустимые скачки параметров цепи из-за внезапных событий. На корпусе выключателя указывают только номинальный ток.

Кроме того, на корпусе обозначают напряжение, на которое рассчитано устройство.

Иногда в рамке указывают ток отключения – максимально допустимую величину, при которой выключатель будет нормально функционировать и не выйдет из строя.

Более широкий перечень технических характеристик элемента можно найти в документации.

Автоматы MA

Эти выключатели применяются в больших промышленных установках, электромоторах. Их особенность заключается в том, что у них нет механизма теплового расцепления. Для разрыва цепи из-за перегрузок используется реле, включенное в цепь независимо от АВ.

В этом случае автомат только защищает линию от короткого замыкания.

Приборы класса A

Выключатели этого класса используются в приборах, наиболее чувствительных к изменениям электрических параметров, например в полупроводниковых устройствах. Они разрывают цепь при увеличении тока на 30% и более.

Время обрыва сети электромагнитным расцепителем составляет 0,05 секунды при превышении номинальной величины заряда на 100%. Тепловое разъединение произойдет через 20–30 секунд.

Выключатели класса B

Эти элементы включают в отдельные линии электрической проводки. Они срабатывают при возрастании тока в 2–5 раз. Время отключения составляет 0,015 секунды, если по какой-то причине не сработает электромагнитный расцепитель – 3–5 секунд. Чаще всего АВ этого класса применяют в бытовых сетях.

Устройства класса C

Выключатели типа С срабатывают при увеличении тока в 5–10 раз. Чаще всего их используют во входных щитках. Они контролируют не отдельные ветви проводки, а всю электрическую сеть. Время срабатывания составляет 1,5 секунды.

Автоматы класса D

Автоматы этого класса рассчитаны на отключение сети при увеличении тока в 10–20 раз. Чаще всего их применяют в частных домах, где есть установки с мощными электромоторами и высокими пусковыми токами до 1000 А.

Защитные приборы класса K и Z

Эти элементы используют в промышленности. Они рассчитаны на превышение тока до 6300 А.

Свойства выключателей классов K и Z обусловлены характером протекающего тока – переменный он или постоянный. Причем характеристики устройств типа K сильнее зависят от этих условий.

Как подобрать автоматический выключатель

В зависимости от предназначения, требования, предъявляемые к электросетям, могут отличаться. Важно правильно подобрать виды и типы автоматов, чтобы они не только функционировали, но и не причиняли неудобств.

При покупке АВ нужно учитывать некоторые нюансы. Все характеристики рассчитаны на нормальные условия окружающей среды – температуру воздуха +25°C и нагрев проводов в +65°C.

Однако в более холодных помещениях увеличение происходит дольше. Соответственно, выключатель не будет срабатывать даже тогда, когда ток достиг значений больше допустимых.

В более высокой температурной среде – например у проводки, находящейся под утеплителем – кабели нагреваются быстрее. Это может привести к ложным срабатываниям ВА.

Кроме того, изоляция проводов, находящихся при температуре 65°C, подвержена быстрому старению.

В нормах ПУЭ есть таблица предельных токовых нагрузок. Однако при прокладке электросети и покупке АВ нужно учитывать условия эксплуатации.

Кроме того, лучше выбирать чуть более низкие значения предельно допустимого тока для предотвращения преждевременного старения изоляции.

В первую очередь, нужно определить тип нужных выключателей. В электрической сети используют одно-, двух-, трех- и четырехфазные устройства. В бытовой проводке чаще всего применяются элементы с 1 или 2 полюсами. В первом случае к фазной клемме подключаются электромагнитный и тепловой расцепители, а во втором – есть еще 1 контакт для нулевого провода.

У трехфазных АВ к каждому из токопроводящих контактов подключаются свои электромагнитные и тепловые расцепители. У четырехполюсного устройства в дополнение к ним есть свободная клемма, которая соединяется с нулевым проводом.

Расчет номинального тока

Основной характеристикой АВ является номинальный ток. Для бытовых электросетей с целью расчета этой величины допускается применение упрощенных формул:

• Iн=P*4,55 – для однофазной сети;
• Iн=P*1,52 – для трехфазной проводки.

В этих формулах P означает мощность сети. Ее легко найти, зная потребляемую мощность всех электроприборов и освещения.

Пример расчета показателя Р:

В доме имеются пылесос на 850 Вт, утюг на 2100 Вт, кофеварка на 800 Вт, 4 лампочки по 100 Вт и 8 лампочек по 40 Вт.

При расчете используют коэффициент спроса, который учитывает, что в большинстве случаев не все приборы работают одновременно. При суммарной мощности до 5 кВт его принимают равным 1. В противном случае используют таблицу:

Мощность по паспорту, кВт	14 и менее	20	30	40	50	60	От 70 и более
Коэффициент спроса	0,8	0,65	0,6	0,55	0,5	0,48	0,45

Учитывая, что 1000 Вт = 1 кВт, в рассматриваем примере электроприборы потребляют:

Р1 = (0,85+2,1+0,8)*0,8 = 3 кВт.

Сеть электроосвещения использует:

Р2 = (4*0,1+8*0,04)*1 = 0,72 кВт.

Таким образом, общая мощность всей бытовой электросети составляет:

Р = Р1 + Р2 = 3+0,72 = 3,72 кВт.

Можно определить ток выключателя, исходя из потребляемой мощности, по таблице:

Номинальный ток, А	Мощность, кВт
	однофазная	трехфазная
10	2,2	6,57
16	3,52	10,52
20	4,4	13,15
25	5,5	16,44
32	7,04	21,04
40	8,8	26,3
50	11,0	32,87

Выбирая автомат для электропроводки, можно выбрать значение номинального тока соответственно диаметру сечения кабеля по таблице:

Провода с медными жилами		Провода с алюминиевыми жилами
Сечение, мм²	Iн, А	Iн, А
1,5	16	—
2,5	25	16
4,0	32	25
6,0	40	32
10,0	50	40
16,0	63	50
25,0	80	63

Тип электромагнитного расцепителя

Класс элемента определяет место применения, поставленная цель. Нужно учитывать, что все электробытовые приборы при включении создают кратковременный скачок напряжения, т.н. «стартовый ток». При одновременном запуске нескольких устройств общее значение этого показателя может попасть в зону действия выключателя и вызвать его срабатывание. Чтобы устранить ложные отключения, лучше использовать АВ с нужной токовременной характеристикой.

Короткое замыкание и чему равен его ток

Короткое замыкание – это соединение фазного провода с заземленным напрямую. Теоретически его ток равен бесконечности, поскольку протеканию заряда ничто не противостоит. Но в реальности сам шнур, которым соединены контакты, тоже имеет некоторое сопротивление.

Оно зависит от длины провода, его толщины и т.п. Поэтому ток короткого замыкания хоть и большой, но имеет конечное значение.

Коммутационная стойкость

Во время соединения контактов происходят процессы, которые постепенно их разрушают. Все выключатели рассчитаны на ограниченное количество срабатываний. Этот параметр определяет механическую и электрическую стойкость элемента. После превышения числа включений устройство может выйти из строя, т.к. произошел его износ. В этом случае АВ придется менять.

Класс токоограничения

На корпусе автомата в квадратной рамке часто указывают цифру от 1 до 3, характеризующую временной интервал, в течение которого не допускаются разрушения из-за короткого замыкания.

Селективность

Часто от АВ требуется селективность – т.е. избирательное отключение только одной ветки цепи, ближайшей к выключателю. Правильным подбором устройств можно добиться максимального соблюдения этого условия.

Но это не всегда возможно. Когда ток превышает значения для срабатывания входного автомата в щитке и выключателя отдельной линии, невозможно предугадать, какой из них подействует раньше. Поэтому полной селективности достигнуть нельзя.

Разновидности защитных сетевых устройств

По конструктивному исполнению существует несколько типов защитных устройств:

• малогабаритные устройства;
• воздушные элементы;
• закрытые АВ;
• УЗО.

Небольшие модели

Маленькие аппараты предназначены для использования в цепях с небольшой нагрузкой. Они рассчитаны на протекание тока от 4,5 до 15 А. Такие элементы в большинстве случаев применяют в бытовых сетях. Это модульные устройства, размеры которых стандартизованы. Их ширина кратна 1,75 см. Благодаря заранее известной величине выключатели такого типа легко крепить на специальную планку – DIN-рейку.

Воздушные открытые устройства

Эти устройства применяют в мощных сетях. Чаще всего они используются в промышленности. Большинство из них трехфазные.

Воздушные АВ можно располагать в специальных шкафах снаружи здания. Но их главное преимущество – возможность изменять характеристики устройств, подстраивая их с помощью вставок.

Закрытые автоматические выключатели

АВ закрытого типа используют для эксплуатации в тяжелых условиях. Их корпус изготовлен из литого металла и герметичен. Такие автоматы применяют для контроля функционирования моторов заводских станков, а также другого мощного оборудования, поскольку они могут выдерживать большой ток.

Приборы защитного отключения

Функция разрыва сети используется и для ограждения человека от удара электрическим током. В этих целях применяют УЗО – устройства защитного отключения. Их задача – предотвратить ток утечки из-за попадания влаги или случайного соединения корпуса с фазным проводом.

Есть приборы, которые соединяют в себе задачи автоматического разъединителя и УЗО – дифференциальные выключатели. Они исключают токи перегрузки и короткого замыкания, а также контролируют утечку, т.е. то, от чего защищает УЗО. Чаще всего дифавтоматы применяют в отдельной ветке электрической цепи, подключенной к мощному устройству: духовке, кондиционеру, нагревателю и т.п.