В статье вы узнаете про устройство и принцип работы автоматического выключателя. Такие средства защиты от короткого замыкания и перегрузок на сегодняшний день можно встретить в каждом доме и на производстве. Ушли в небытие так называемые пробки, которые, по сути, выполнены по такой же схеме, как и автоматические выключатели. И даже принцип действия у них схож, вот только использовать не очень удобно – на дин-рейку такую пробку не поставить.
А что уж говорить о плавких вставках – предохранителях, в которых при коротком замыкании перегорает тонкий провод. Такие можно встретить разве что в трансформаторных подстанциях. И то в них используются плавкие вставки, которые наполнены песком. В слаботочных цепях, если так можно выразиться, применяются исключительно автоматические выключатели. Типы и устройство будет рассмотрено в статье. И начнем с описания работы автоматов, которые используются чаще всего в быту.
Штатный режим работы
Итак, давайте рассмотрим устройство и принцип действия автоматического выключателя. У него имеется несколько режимов работы, каждый будет рассмотрен отдельно. В штатном режиме через автоматический выключатель течет ток, который меньше номинального или равен ему. При этом напряжение питания поступает на верхнюю клемму, которая соединена с неподвижным контактом. С последнего ток идет к подвижному контакту, затем по гибкому медному проводнику на соленоид. Далее ток с соленоида поступает на расцепитель (тепловое реле) и после на клемму, расположенную снизу. Именно она соединяется с потребителями электроэнергии.
Аварийные режимы работы
Принцип работы автоматического выключателя переменного тока таков, что при аварийной ситуации (перегрузка или короткое замыкание) происходит отключение защищаемой цепи. Начинает работать механизм свободного расцепления, он приводится в действие специальным расцепителем (обычно электромагнитные или тепловые используются в конструкциях). Давайте рассмотрим особенности обоих типов расцепителей.
Тепловой – это пластина из биметалла, которая состоит из двух слоев сплавов, у которых разные коэффициенты термического расширения. Когда ток проходит по пластине, происходит ее нагрев и она изгибается в то сторону, на которой находится металл с наименьшим коэффициентом. Когда значение силы тока превышает допустимые значения, изгиб становится таким, что его достаточно для того чтобы привести в действие весь расцепительный механизм. При этом размыкается цепь.
Электромагнитные расцепители состоят из соленоида с сердечником (подвижным), который удерживается пружиной. Когда происходит превышение максимального тока, то в катушке начинает наводиться поле. Под его действием сердечник начинает втягиваться внутрь соленоида, пружина при этом сжимается. В этот же момент начинает срабатывать расцепитель. В штатном режиме в катушке также происходит наведение поля, но у него маленькая сила, ее недостаточно для того, чтобы сжать пружину.
Режим перегрузки
Режим перегрузки – это когда ток, потребляемый подключенной к автомату нагрузкой, становится выше, нежели номинальное значение прибора. При этом ток, который проходит через расцепитель, вызывает нагрев пластины из биметалла, что приводит к увеличению ее изгиба. Это приводит к тому, что срабатывает расцепительный механизм. В этот момент выключается автомат, и цепь размыкается.
Тепловая защита срабатывает не мгновенно, так как для нагрева пластины нужно некоторое время. И оно варьируется в зависимости от того, насколько превышено номинальное значение силы тока. Промежуток времени может колебаться от пары секунд до часа. Задержка позволит избавиться от отключения питания при непродолжительном и случайном повышении тока. Часто такие превышения можно наблюдать при запуске электродвигателя.
Ток срабатывания
Минимальное значение силы тока, при котором обязан срабатывать тепловой расцепитель, регулируется специальным винтом на заводе-изготовителе. Значение примерно в полтора раза выше, нежели номинал, который указывается на корпусе выключателя. Как видите, принцип работы расцепителя автоматического выключателя не очень сложен. Но на силу тока, при котором происходит срабатывание тепловой защиты, огромное влияние оказывает и то, какая у окружающей среды температура.
Если в помещении жарко, то прогрев и выгибание биметаллической пластины начнут происходить при малом значении тока. А если в помещении холодно, то тепловой расцепитель начнет работать при более высоком токе. Поэтому один и тот же автоматический выключатель с биметаллической пластиной будет работать по-разному зимой и летом. Это к автоматам с электромагнитными расцепителями не относится.
Перегрузка в электроцепи
Стоит отметить, что принцип работы автоматического выключателя постоянного тока примерно такой же, как и аналогичного прибора, работающего на переменном. Суть сводится к тому, что при превышении допустимой нагрузки происходит нагрев пластины и отключение цепи. Что может быть причиной перегрузки? Самая частая причина – это подключение большого числа потребителей, у которых мощность больше, нежели расчетная.
Если вы одновременно подключите к автомату несколько потребителей – электрочайник, холодильник, утюг, стиральную машинку, кондиционер, электроплиту, - то вполне возможно, что сработает расцепитель. Даже если вы используете автоматический выключатель с номинальным током 16 А, он может отключиться. Все зависит от того, какая мощность у потребителей.
Если происходит частое отключение, то нужно решить, от каких электроприборов можно отказаться на время. Стоит ли включать электроплиту и стиралку одновременно? Зная назначение и устройство автоматических выключателей, можно, конечно, установить прибор с большим значением номинального тока. Но здесь стоит ожидать подвоха со стороны электропроводки дома и ввода – выдержат ли они большую нагрузку?
Режим короткого замыкания
А теперь давайте рассмотрим один из «главных» режимов работы – при коротком замыкании. Вы знаете общее устройство и принцип работы автоматического выключателя в режиме перегрузки. Но частный случай – это режим КЗ. Работает автомат несколько иначе. Ток возрастает при этом до бесконечности, изоляция электропроводки может расплавиться. Чтобы не произошло этого, нужно мгновенно произвести размыкание цепи.
Именно от КЗ помогает защититься электромагнитный расцепитель. Чуть ранее мы говорили о том, из каких элементов состоит этот узел автоматического выключателя. Когда ток возрастает в несколько раз, то в обмотке начинает увеличиваться магнитный поток. Под его действием сердечник втягивается, пружина сжимается. При этом происходит нажатие на спусковую планку, которая находится в механизме расцепления. И питание прерывается, так как силовые контакты мгновенно размыкаются.
Электромагнитный расцепитель – это устройство, которое способно защитить от КЗ и возгорания электропроводки. Срабатывает защита буквально за сотые доли секунды, следовательно, проводка не успевает прогреться до опасной температуры.
Размыкание силовых контактов
Нужно отметить, что по силовым контактам течет очень большой ток. И когда они размыкаются, то образуется дуга, у нее очень высокая температура – порядка 3000 градусов. Для защиты контактов и остальных компонентов от разрушений, в конструкцию вносится один небольшой элемент – дугогасительная камера. Это решетка из нескольких металлических пластинок, изолированных друг от друга.
В том месте, в котором размыкаются контакты, появляется дуга. И один ее край начинает двигаться вместе с тем контактом, который расцепляется. А второй край дуги как бы скользит по неподвижному контакту, после чего переходит на проводник, соединенный с ним. Этот проводник соединяется с дугогасительной камерой. Затем дуга начинает дробиться на пластинках, постепенно слабеет, а затем и вовсе гаснет.
Если присмотреться внимательно к автоматическому выключателю ВК-45 (принцип работы его рассмотрен в нашем материале), то можно увидеть, что внизу есть небольшие отверстия, именно через них уходят газы, которые появляются при горении. Если автомат отключился из-за срабатывания электромагнитного расцепителя, то вы не сможете его включить, пока не устраните причину КЗ. Что касается теплового расцепителя, то заново включить автомат можно после остывания биметаллической пластины.
Как работают воздушные выключатели?
Выше мы рассмотрели устройства, которые применяются в быту и на производстве. Но стоит рассмотреть и принцип работы автоматических воздушных выключателей – это совершенно иная категория приборов. Классифицируют их по типу движения воздуха:
- Поперечные.
- Продольные.
Воздушные автоматы могут иметь большое количество разрывов контактов, все зависит от того, на какое напряжение они рассчитаны. Чтобы облегчить гашение дуги, с контактами соединяется сопротивление в качестве шунта.
Дугогасительная камера – это набор перегородок, разбивающих дугу на маленькие составляющие. Именно поэтому дуга не может разгореться и достаточно быстро она тухнет. Высоковольтные выключатели, работающие со сжатым воздухом, отличаются тем, что у них либо есть отделитель, либо нет. Если в конструкции имеется отделитель, то силовые контакты соединяются с поршнями. В итоге получается единый механизм. Отделитель включается последовательно с контактами гасителя дуги.
Отделитель и контакты гасителя дуги – это первый полюс автомата. При подаче сигнала на отключение происходит срабатывание механического пневмоклапана. Он открывает пневматический привод, а воздух начинает воздействовать на контакты гасителя дуги. Контакты размыкаются, а дуга при этом тушится при помощи сжатого воздуха. После этого происходит отключение и разделителя. Стоит отметить, что необходимо четко отрегулировать подачу воздуха, чтобы его количества хватило для тушения дуги.
Классификация воздушных автоматов
Все высоковольтные воздушные выключатели можно разделить на несколько групп:
- Сетевые – работают при напряжении свыше 6 кВ, могут использоваться в цепях переменного тока для выключения и включения потребителей в штатных режимах (неаварийных). А также для отключения нагрузки при возникновении короткого замыкания.
- Генераторные – работают в электросетях с напряжением 6-24 кВ для подключения генераторных установок. Могут выдерживать значительные пусковые токи. Имеется режим работы при КЗ.
- Для использования в электротермических установках – у них диапазон напряжений 6-220 кВ. Работают как в штатном, так и в аварийном режимах.
- Автоматы спецназначения – такие приборы выпускаются только под заказ, серийных образцов нет. Их делают с учетом всех особенностей эксплуатации.
Классификация по типу и местоположению механизма нагнетания воздуха:
- Конструкции опорного типа.
- Подвесные.
- Встраиваемые в комплектные распределительные устройства.
- Выкатного типа.
Плюсы и минусы воздушных автоматов
Среди преимуществ можно выделить следующие:
- Используют такие устройства давно, поэтому опыта в их эксплуатации и ремонте предостаточно.
- Более современные приборы (например, элегазовые) не поддаются ремонту.
Но есть и недостатки, например:
- Необходимо иметь дополнительную пневматическую аппаратуру или компрессор.
- При отключении (особенно при аварийном) издает много шума.
- Для установки нужно большое пространство – у прибора довольно большие габариты.
- Нельзя устанавливать в пыльных и влажных помещениях. Поэтому приходится применять дополнительные меры, чтобы уменьшить запыленность и влажность.
Дифференциальный автомат – что это такое?
И напоследок разберемся с принципом работы дифференциального автоматического выключателя. Это устройство для защиты, которое при аварии отключает сразу и ноль, и фазу. В функции прибора входит:
- Слежение за током короткого замыкания, а также отключение цепи при его появлении.
- Отключение цепи при превышении допустимой нагрузки.
- Имеются ли токи утечки. В том случае, если кто-то прикасается к оголенным проводам, происходит утечка тока. Дифференциальный автомат при этом отключается.
По сути, этот прибор совмещает в себе два устройства – простой автоматический выключатель и УЗО. Главный плюс в том, что ваша безопасность и электропроводка всегда под защитой (конечно, если все сделано по правилам). Также можно выделить еще один плюс – нет необходимости в установке УЗО. Кроме того, в щитке прибор занимает немного места. И подключить к электросети прибор не составит труда.
Но есть и недостатки. В частности, на некоторых моделях отсутствуют флажки, поэтому сразу определить причину срабатывания сложно. Второй недостаток – если вышла из строя одна половина прибора, придется менять все устройство полностью. Ремонтировать его нельзя. И самый главный недостаток – это стоимость. Она значительно выше, чем у УЗО и обычного автомата. Поэтому, прежде чем ставить дифференциальные выключатели, решите, нужно ли вам это. Вполне возможно, что проще окажется поставить УЗО и обычный автомат.
