Определение и виды расцепителей, их преимущества и недостатки; примеры автоматических выключателей с тепловым, электромагнитным, полупроводниковым и электронным расцепляющим устройством; процессы протекающие при сверхтоках

Определение расцепителя

Расцепители разделим на две условные группы:

• основные расцепители для защиты цепей;
• вспомогательные расцепители для расширения функциональности.

Основным расцепителем (первая группа), применительно к автоматическому выключателю , называется устройство способное распознавать критическую ситуацию (появление сверхтока) и заблаговременно пресекать её развитие (вызывать расхождение главных контактов).

Вспомогательные расцепители - дополнительные устройства (ими не комплектуют базовые исполнения автоматов, а снабжают лишь заказные специальные исполнения):

• независимый расцепитель (дистанционное отключение автоматического выключателя по сигналу из вспомогательной цепи);
• расцепитель минимального напряжения (отключает автомат при падении напряжения ниже допустимого);
• расцепитель нулевого напряжения (вызывает расцепление контактов при существенном падении напряжения).

Определения терминов

Под сверхтоком понимают силу тока превышающую номинальный (рабочий) ток. Под это определение попадает ток короткого замыкания и ток перегрузки.

Ток перегрузки - сверхток, действующий в функциональной сети (длительное воздействие перегрузок может вызвать повреждение цепи).
Ток короткого замыкания (КЗ) - сверхток, который обусловлен замыканием двух элементов с очень низким полным сопротивлением между ними, при этом в нормальной работе эти элементы наделены различным потенциалом (замыкание накоротко может быть вызвано не верным подсоединением или повреждением). Например, механические воздействия или старение изоляции, вызывает соприкосновение токопроводящих жил и короткое замыкание.
Высокое значение тока короткого замыкания распознаётся из формулы:
I = U / R (сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению).
Следовательно, как только R → к 0, тогда I → к бесконечности.

Через главные контакты в автоматическом выключателе при нормальной эксплуатации протекает номинальный ток. Механизм свободного расцепления коммутационного аппарата имеет чувствительные элементы (например, поворотная отключающая рейка). Воздействие расцепителя на эти элементы способствует мгновенному автоматическому срабатыванию, то есть расцеплению контактной системы.

Максимальный расцепитель тока (МРТ) - расцепитель, вызывающий размыкание главных контактов с выдерживанием некоторого промежутка времени или без него, как только действующее значение тока превышает заданный порог.
МРТ с обратнозависимой выдержкой времени - максимальный расцепитель тока, инициирующий расцепление контактов после истекания заданного времени, которое обратнозависимо от силы тока.
МРТ прямого действия - максимальный расцепитель тока, инициирующий срабатывание непосредственно от действующего сверхтока.

Определения максимального расцепителя тока, тока КЗ и перегрузки взяты (перефразированы без потери смысла) из стандарта ГОСТ 50345 .

Виды расцепителей , применяемых в автоматических выключателях

В автоматические выключатели устанавливают один или комбинацию, из указанных ниже расцепителей:

• обеспечивают базовую защиту от сверхтоков, заводские настройки не меняются в процессе эксплуатации:
  • тепловой расцепитель или расцепитель перегрузки;
  • электромагнитный расцепитель или расцепитель короткого замыкания;

• один из предложенных ниже заменяет первые два, в процессе эксплуатации допускается регулировка (время выдержки при сверхтоке для обеспечения селективности , какой ток считать перегрузкой, какой коротким замыканием):
  • полупроводниковый расцепитель;
  • электронный расцепитель;

• дополнительные расцепляющие устройства для расширение функциональности:
  • независимый расцепитель;
  • расцепитель минимального напряжения;
  • расцепитель нулевого напряжения.

Следует принять во внимание, что дешёвыми устройствами являются электромагнитный и тепловой расцепители. Автоматические выключатели укомплектованные полупроводниковым или электронным расцепителем (они функционально заменяют сочетание теплового и электромагнитного расцепителя) стоят от 1200 $ и выше, поэтому их применяют как вводные аппараты на номинальные токи от 630 А (бывают редкие исключения меньшего ампеража).

В видеоролике кратко рассказано о конструкции автоматического выключателя, в частности о тепловых и электромагнитных расцепителях:

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину , которая при нагревании изгибается и воздействует на механизм свободного расцепления.
Биметаллическую пластину изготавливают методом механического соединения двух металлических лент. Выбирают два материала с разными коэффициентами температурного расширения и соединяются между собой с помощью спаивания, заклёпывания или сваривают.
Допустим, нижний материал в биметаллической пластине при нагревании удлиняется меньше, чем верхний металл, тогда изгиб произойдёт вниз.

Тепловой расцепитель защищает от токов перегрузки и настраивается на определённые режимы срабатывания.

Например, для изделия серии ВА 51-35 расцепители перегрузки калибруют при температуре +30 °С на:

• условный ток нерасцепления 1,05·In (время 1 час для In ≤ 63 А и 2 часа для In ≥ 80 А);
• условный ток расцепления 1,3·In для переменного тока и 1,35·In для постоянного тока.

Обозначение 1,05·In - означает кратность номинальному току. Например, при номинальном токе In = 100 А условный ток нерасцепления равен 105 А.
На времятоковых характеристиках (графики всегда имеются в заводских каталогах) наглядно показывают зависимость времени срабатывания теплового и электромагнитного расцепителей от значения протекающего сверхтока.

Преимущества:

• нет трущихся поверхностей;
• обладают хорошей вибростойкостью;
• легко переносят загрязнение;
• простота конструкции → низкая цена.

Недостатки:

• постоянно потребляют электрическую энергию;
• чувствительны к изменениям температуры окружающей среды;
• при нагреве от сторонних источников могут вызывать ложные срабатывания.

Электромагнитный расцепитель

Электромагнитный (аббревиатура ЭМ) расцепитель является устройством мгновенного действия. Представляет собой соленоид, сердечник которого воздействует на механизм свободного расцепления. При протекании сверхтока по обмотке соленоида, рождается магнитное поле, которое перемещает сердечник, с преодолением сопротивления возвратной пружины.

ЭМ расцепитель настраивают на срабатывание при токах КЗ значениями от 2 до 20·In. Погрешность настройки варьируется в пределах ±20 % от заданного значения.

Для силовых автоматических выключателей уставку срабатывания при коротком замыкании (значение тока, при котором инициируется расцепление) могут указывать как значением в амперах, так и в кратности номинальному току. Встречаются уставки:

• 3,5·In;
• 7·In;
• 10·In;
• 12·In;
• и другие.

Например, при номинальном токе автомата In = 200 А, при уставке 7·In расцепление наступит при достижении сверхтоком значения 7 · 200 = 1400 А.

• B (3-5);
• C (5-10);
• D (10-50).

В скобках указаны предельные значения от номинального тока In, при которых произойдёт расхождение контактов.

Достоинства:

• простота конструкции;

Недостатки:

• создаёт магнитное поле;
• срабатывает мгновенно, без выдержки времени.

Под выдержкой времени понимается обеспечение селективности. Селективность или избирательность достигается, когда вводной автоматический выключатель распознаёт замыкание накоротко и некоторое заданное время пропускает его. Этого времени достаточно для срабатывая нижестоящего защитного устройства. В таком случае отключается не весь объект, а только повреждённая ветвь.

Аппараты с выдержкой времени или селективные - категория применения В (все автоматы с электронным или полупроводниковым расцепителем).
Аппараты мгновенного действия или неселективные - категория применения А (фактически все автоматические выключатели с электромагнитным расцепляющим устройством).

Термомагнитный или комбинированный расцепитель

Часто применяется последовательное соединение теплового и электромагнитного расцепителя. В зависимости от производителя, такое связывание двух устройств называют комбинированным или термомагнитным расцепителем. Словосочетание «термомагнитный расцепитель» зачастую используют в зарубежных каталогах и литературе.

Явления, вызываемые сверхтоками

При появлении тока короткого замыкания возникают следующие явления:

• электродинамические силы;
• магнитное поле;
• тепловое напряжение (перегрев).

При перегрузке определяющим фактором остаётся перегрев токопроводящих частей.

Электродинамические силы

Электродинамические силы воздействует на проводник, с протекающим по нему током, который находится в магнитном поле с индукцией В.
При протекании номинального тока электродинамические силы незначительны, но при появлении тока КЗ эти силы могут привести не только к деформации и поломке отдельных частей коммутационного аппарата, но и разрушению самого автомата.
Производятся специальные расчёты на электродинамическую стойкость, которые особенно актуальны при тенденции к уменьшению габаритных характеристик (сокращаются расстояния между токопроводящими частями полюсов).

Магнитное поле

Магнитное поле является одним из факторов, порождающих электродинамические силы.
Магнитные поля отрицательно влияют на работу электрооборудования, особенно это касается измерительных приборов и компьютеров.

Тепловое напряжение (перегрев)

При протекании через проводник любого тока с силой I, его жила разогревается, что может привести к возгораниям или повреждению изоляции.
При возникновении сверхтоков перегрев имеет актуальное значение, если не блокировать КЗ, давая достигать максимальных значений.

Тепловой расцепитель - обеспечивает защиту только от перегрузок по току.

Электромагнитный расцепитель - обеспечивает защиту только от коротких замыканий.

Термо-магнитный (магнитотермический, комбинированный) расцепитель - состоит из двух типов расцепителей - теплового и электромагнитного. Обеспечивает защиту как от перегрузки по току так и от коротких замыканий.

Термо-магнитный (магнитотермический, комбинированный) расцепитель, с защитой от токов утечек - кроме защиты от перегрузок и коротких замыканий обеспечивает защиту людей и электроустановок от замыкания на землю.

Электронный расцепитель (электронный блок защиты - Overcurrent Release) - (в зависимости от исполнения) обеспечивает максимальное количество типов защит.

Устройство расцепителей

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, которая при нагревании изгибается и воздействует на механизм свободного расцепления. Биметаллическую пластину изготавливают методом механического соединения двух металлических лент. Выбираются два материала с разными коэффициентами температурного расширения и соединяются между собой с помощью спаивания, заклёпывания или свариваются.

Преимущества:

• нет подвижных частей;
• нетребовательность к загрязнениям;
• простота конструкции;
• низкая цена.

Недостатки:

• высокое собственное потребление энергии;
• чувствительны к изменениям температуры окружающей среды;
• при нагреве от сторонних источников могут вызывать ложные срабатывания.

Электромагнитный расцепитель

Электромагнитный расцепитель является устройством мгновенного действия. Представляет собой соленоид, сердечник которого воздействует на механизм свободного расцепления. При протекании по обмотке соленоида сверхтока, создаётся магнитное поле, которое перемещает сердечник, с преодолением сопротивления возвратной пружины.

ЭМ расцепитель может настраиваться (на заводе производителе или потребителем) на срабатывание при токах КЗ значениями от 2 до 20 In. Погрешность настройки варьируется около ±20% от заданного значения силы тока для выключателей в литом корпусе.
Для силовых автоматических выключателей уставку срабатывания при коротком замыкании (значение тока, при котором инициируется расцепление) могут указывать как значением в амперах, так и в кратности номинальному току.
Встречаются уставки: 3,5In; 7In, 10In; 12In и другие.

Достоинства:

• простота конструкции;

Недостатки:

• создаёт магнитное поле.

Термомагнитный расцепитель

Часто применяется последовательное соединение теплового и электромагнитного расцепителя. В зависимости от производителя, такое связывание двух устройств называют комбинированным или термомагнитным расцепителем.

Термомагнитный или комбинированный расцепитель

Термомагнитный расцепитель с защитой от токов утечек

Автомат с данными расцепителями кроме теплового и электромагнитного расцепителей имеет блок способный обнаружить ток повреждения на землю с помощью тороидального трансформатора, который охватывает все токоведущие части, а также нейтраль, если она распределена. Расцепители токов утечки на землю могут использоваться в сочетании с автоматическим выключателем для обеспечения двух основных функций в одном устройстве:

• защита от перегрузок и коротких замыканий;
• защита от косвенных прикосновений (появление напряжения) на токопроводящих частях вследствие повреждения изоляции).

Электронный расцепитель

Расцепитель, соединенный с измерительными трансформаторами тока (три или четыре, в зависимости от количества защищаемых проводников), которые установлены внутри автоматического выключателя и обеспечивают двойную функцию: подачи питания для нормального управления расцепителем и обнаружения значения тока, который проходит в токоведущих частях. Поэтому они совместимы только с сетями переменного тока.

Сигнал от трансформаторов обрабатывается электронной частью (микропроцессор), который сравнивает его с заданными уставками. Когда сигнал превышает порог, расцепитель автоматического выключателя воздействует непосредственно на узел свободного расцепления выключателя при помощи отключающей катушки.

Блок управления расцепителем позволяет выстраивать определённую пользователем программу, по которой автоматический выключатель будет производить расцепление главных контактов.

Достоинства:

• разнообразный выбор настроек нужных пользователю;
• высокая точность исполнения заданной программы;
• индикаторы работоспособности и причины срабатывания;
• логическая селективность с вышестоящими и нижестоящими выключателями.

• высокая цена;
• хрупкий блок управления;
• подверженность к воздействию электромагнитных полей.

В каждой электрической цепи устанавливаются различные защитные устройства. Довольно часто в дополнение к ним используется независимый расцепитель, связанный с автоматическим выключателем механическим способом. В случае возникновения условий, грозящих повреждениями приборам и самой линии, он своевременно разрывает электрическую цепь. Обычно это происходит при коротком замыкании, пробоях и утечках, а также росте силы тока выше номинальных пределов, опасных для кабелей и проводов.

Общее устройство расцепителя и схема подключения

Каждый независимый расцепитель представляет собой устройство, с помощью которого выполняется дистанционное отключение защитной аппаратуры. Как правило, он используется в связке с различными автоматическими выключателями - с одним, двумя, тремя или четырьмя полюсами. Обычно расцепитель подключается к вводному автомату и при возникновении аварийной ситуации производит полное обесточивание щитка.

Конструкция расцепителя выполнена в виде электромагнита. Когда на него поступает кратковременный импульс, прибор специальным рычагом оказывает воздействие на механизм, отключающий автоматическое защитное устройство. Электромагнитные катушки, используемые в конструкции, могут быть разные, рассчитанные на переменный или постоянный ток напряжением 12-60 В и 110-415 В, в соответствии с той или иной модификацией. Крепление к автомату также зависит от конкретной модели и выполняется на правую или левую сторону.

От правильного соединения расцепителя с защитным устройством зависит четкое срабатывание всей системы.

Нормальная работа обоих приборов во многом зависит от соблюдения всех требований схемы подключения. Например, фазные проводники должны подключаться от нижних фазных клемм автомата. При несоблюдении этого условия высока вероятность выхода из строя, неправильно подключенного расцепителя. В норме автоматический выключатель с независимым расцепителем должен отключиться, а напряжение с катушки прибора исчезнуть.

Дистанционное управление срабатыванием осуществляется с помощью замыкающего контакта одного из приборов пожарной сигнализации или путем нажатия обычной кнопки с замыкающими контактами. По аналогичной схеме производится отключение сразу нескольких расцепляющих устройств, распределенных по отдельным группам.

Независимый расцепитель для автоматических выключателей

Как уже отмечалось, данное устройство является дополнительным защитным элементом электрической цепи. С его помощью осуществляется дистанционное отключение автоматов или выключателей нагрузки.

Наибольшее распространение независимый расцепитель получил при составлении проектов вентиляционных систем. В соответствии с нормативными документами, в случае возникновения пожара, вентиляция должна быть очень быстро отключена. Поэтому к вводному автомату, установленному в щите, обслуживающем вентиляционную систему, дополнительно подсоединяется независимый расцепитель.

В электрические щиты, рассчитанные на ток до 100 ампер, устанавливаются модульные автоматы. Общий ввод в большинстве случаев защищен выключателем нагрузки. Именно к нему и подключается независимое расцепляющее устройство, выполняющее отключение при нештатных ситуациях. Если же ток на входе составляет свыше 100 А, требуется установка более мощного автоматического выключателя. К нему же можно подобрать наиболее подходящий независимый расцепитель.

С помощью этого прибора возможно отключение не только однофазной, но и трехфазной аппаратуры. Для того чтобы расцепитель начал действовать, вполне достаточно одной подачи импульса напряжения на его катушку. Возвращение расцепителя в исходное состояние осуществляется с помощью кнопки «возврат». Ее нажатие вручную указывает на дистанционное отключение, а не срабатывание в результате короткого замыкания.

Срабатывание независимых расцепителей может произойти по разным причинам. Наибольшее распространение получили следующие:

• Чрезмерные скачки напряжения в сторону увеличения или уменьшения.
• Нарушение установленных параметров, изменение состояния электрического тока.
• Сбой в работе автоматов, невозможность выполнения ими своих функций.

Существуют аналогичные отключающие устройства, используемые совместно с автоматическими выключателями. Они выполняют те же самые функции, но по принципу работы являются тепловыми и электромагнитными.

Тепловые расцепители автоматов

Основным элементом тепловых расцепляющих устройств служит биметаллическая пластина. Она изготовлена из двух металлов, каждый из которых имеет собственный коэффициент теплового расширения.

Оба металла спрессованы между собой и во время нагрева у них возникает различная степень расширения, что в свою очередь вызывает деформацию и искривление пластины. Если ситуация с током не придет в норму на протяжении определенного периода времени, то пластина под действием повышающейся температуры коснется контактов автомата, отключая электрическую цепь.

Таким образом, срабатывание теплового расцепителя вызывается повышением температуры пластины под действием чрезмерной нагрузки на каком-либо участке, находящемся под защитой автомата. То есть, к проводу или кабелю с определенным сечением, можно подключить строго лимитированное количество приборов и оборудования. При попытке включения еще одного устройства, общая мощность приборов превысит ее допустимое значение для данного кабеля. Сила тока начнет расти и вызовет нагрев проводника. Сильный перегрев нередко приводит к расплавлению изоляционного слоя и возгоранию.

Подобная ситуация предотвращается работой теплового расцепителя. Нагрев биметаллической пластины происходит вместе с проводом, и через некоторое время ее изгиб, воздействуя на автомат, отключает подачу тока. После остывания защитное устройство включается вручную с предварительным отключением приборов, вызвавших перегрузку. Без этой процедуры автомат вновь отключится через некоторое время.

Использование теплового расцепителя требует точного соответствия сечению данного кабеля. Несоблюдение этого условия приведет к срабатываниям даже при нормальных нагрузках. И, наоборот, при опасном превышении тока расцепитель не среагирует и проводка выйдет из строя.

Автоматы с электромагнитными расцепителями

Отключающиеся устройства, в которые входит независимый расцепитель и тепловой расцепитель, дополняется электромагнитным устройством с аналогичными функциями.

Необходимость их использования продиктована спецификой тепловых расцепителей, которые не могут срабатывать мгновенно и выполняют отключение лишь в течение одной секунды и более. В связи с этим, они не могут обеспечить эффективную защиту от коротких замыканий. Поэтому в дополнение к тепловому, устанавливается еще одно расцепляющее устройство - электромагнитное.

Конструкция электромагнитных устройств состоит из катушки индуктивности - соленоида и сердечника. В обычном рабочем режиме цепи электроны проходят через соленоид и образуют слабое магнитное поле, не влияющее на общую работоспособность сети. Когда возникает короткое замыкание, сила тока мгновенно увеличивается во много раз. Одновременно наблюдается пропорциональный рост мощности магнитного поля. Под его воздействием происходит мгновенный сдвиг сердечника, оказывающего воздействие на отключающий механизм. Тем самым предотвращаются серьезные последствия от действия сверхтоков коротких замыканий.

Как проверить исправность и работоспособность расцепителя

Данная проверка должна выполняться только квалифицированными специалистами. Действия выполняются в следующем порядке:

• Визуальный осмотр поверхности корпуса на предмет сколов, трещин и прочих дефектов.
• Сделать несколько щелчков выключателем. Рычажок должен легко становиться во все положения.
• На следующем этапе нужно выполнить так называемую прогрузку устройства, путем создания неблагоприятных условий. Для этого потребуется специальная аппаратура и присутствие квалифицированного электротехника. Основным показателем тестирования является временной промежуток с момента возрастания тока и до полного отключения устройства. Точно такая же процедура производится на приборе со снятым корпусом.
• Во время проверки теплового расцепителя, нужно обязательно установить время, необходимое, чтобы отключить устройство, находящееся под влиянием повышенной силы тока.

Введение

1. Автоматические выключатели

2. Автоматические выключатели с тепловыми расцепителями

3. Автоматические выключатели с комбинированным расцепителем

Список литературы

Введение

В настоящее время для защиты сетей и электрических приемников от повреждений, вызываемых током, превышающим допустимую величину, все шире применяются автоматические выключатели. Они служат для проведения, включения и автоматического размыкания электрических цепей при аномальных явлениях, (например при токах перегрузки, КЗ, недопустимых снижения напряжения), а также для нечастого включения цепей вручную. Выключатели выпускаются с тепловыми, электромагнитными и комбинированными (тепловыми и электромагнитными) расцепителями с различным числом полюсов -- одним, двумя и тремя. В однофазных цепях применяют одно- и двухполюсные, а в трехфазных -- трехполюсные.

1. Автоматические выключатели

Автоматические выключатели с электромагнитными расцепителями применяются для защиты сети и электрического приемника от повреждений, вызываемых током короткого замыкания, действующим даже кратковременно. Принципиальная схема такого выключателя изображена на рис 1,а.

Контакт главной цепи замыкается нажатием на кнопку или поворотом рукоятки. При этом преодолевается усилие размыкающей пружины и контакт удерживается в замкнутом положении защелкой 3. Как только ток в защищаемой цепи превысит определенную величину, сердечник 6 втянется в катушку 5 и через рычаг 4 освободит защелку 5. Под действием пружины 1 контакт 2 разомкнётся. На схеме изображен один контакт главной цепи, а практически их может быть два или три, столько же может быть и катушек 5 с сердечниками 6. Всё сердечники при втягивании действуют на одну и ту же защелку 3. Увеличение тока в любом проводе (катушке) до величины, превышающей величину установки тока срабатывания, влечет за собой размыкание всех главных контактов.

Электромагнит с механизмом отключения называется электромагнитным расцепителем. Время отключения автоматических выключателей с электромагнитными расцепителями незначительное (доли секунды), поэтому они относятся к аппаратам максимальной защиты мгновенного действия.

Преимущество автоматических выключателей перед плавкими предохранителями состоит в том, что они обладают многократностью действия. После срабатывания плавкого предохранителя требуется замена плавкой вставки. Автоматический же выключатель после устранения причины срабатывания можно подготовить для повторной работы нажатием на кнопку или поворотом рукоятки.

Автоматические выключатели применяются не только для отключения приемников при токах короткого замыкания, но и для нечастых включений и отключений их вручную при нормальной работе. Возникающая при размыкании цепи электрическая дуга гасится в воздухе или масле. В зависимости от этого автоматические выключатели называются воздушными или масляными. В цепях с напряжением до 500 В применяются в основном воздушные выключатели.

2. Автоматические выключатели с тепловыми расцепителями

Металлы имеют разные коэффициенты линейного расширения и поэтому при нагревании удлиняются неодинаково. Если две металлические пластины с различными коэффициентами расширения наложить одну на другую и прочно соединить вместе, получится биметаллическая пластина. При нагревании она деформируется выпуклостью в сторону активного слоя металла. Активным называется слой металла, обладающий большим коэффициентом расширения. Другой слой называют пассивным. Активный слой делают из стали, а пассивный -- из инвара (сплав, состоящий из 64 % железа и 36% никеля). Коэффициент линейного расширения инвара в 12 раз меньше стали.

Если один конец биметаллической пластины закрепить, то другой при нагревании будет изгибаться в сторону пассивного слоя. Это свойство пластины используется для освобождения защелки автоматического выключателя. Степень деформации пластины зависит от температуры ее нагрева.

Применяются два способа нагревания пластины: непосредственный и косвенный. При первом ток проходит непосредственно через пластину. При этом количество теплоты, которое выделяется в ней, пропорционально квадрату величины тока, времени его прохождения и сопротивлению пластины. При втором способе ток проходит по нагревательному элементу (небольшой спирали), выполненному из нихрома или другого сплава. Спираль располагают рядом с пластиной или наматывают на нее. Выделяющаяся в этой спирали теплота и нагревает биметаллическую пластину. Перед намоткой спирали биметаллическая пластина покрывается электроизоляцией, например слюдой.

На рис.1,6 изображена схема автоматического выключателя с тепловым расцепителем. Контакт 2 главной цепи замыкают вручную кнопкой или рукояткой, g замкнутом положении он удерживается защелкой 3. При прохождении по сети тока, величина которого меньше определенного значения, биметаллическая пластина 7 нагревается незначительно, и ее изгиба вверх недостаточно для того, чтобы передать усилие на защелку 3. Если же по спирали 8 будет проходить ток, величина которого превысит это определенное значение, то через некоторое время правый конец пластины 7 изогнется вверх настолько, что через толкатель 4 поднимет рычаг защелки 3. Под действием пружины 1 разомкнётся контакт 2. Время, через которое произойдет размыкание контакта, зависит от степени перегрузки сети. Тепловые расцепители не могут срабатывать мгновенно, особенно при косвенном нагреве биметаллической пластины. Нагрев и деформация ее не происходят мгновенно даже при очень большом выделении теплоты в спирали.

Автоматические выключатели с тепловыми расцепителями отключают сеть с выдержкой времени в обратной зависимости от величины тока перегрузки. При больших перегрузках отключение происходит быстрее. На схеме изображен один контакт выключателя, а их может быть два или три.

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.