Принцип действия и устройство автоматического выключателя

Принцип действия и устройство автоматического выключателя

При обеспечении защиты электросети от всевозможных сбоев используются различные приспособления и механизмы. В их числе — автоматизированные выключатели, которые предотвращают серьезные сбои в электрической цепи и сохраняют бытовые приборы от выхода из строя. Чтобы понять принцип действия автоматического выключателя, необходимо разобраться с его устройством и техническими характеристиками.

Основные типы

Внешне элемент представляет собой небольшую конструкцию из термостойкой пластмассы, на лицевой части которой находится специальный переключатель, а в задней — фиксатор-защелка. Сверху и снизу расположены винтовые клеммы. В зависимости от конструктивных особенностей и устройства, автоматические выключатели могут разделяться на следующие типы:

1. Установочные модели — снабжены пластиковым коробом, что позволяет использовать их для всех жилищ без страха получить удар током.
2. Универсальные агрегаты — не имеют такой защиты как предыдущая разновидность, из-за чего их используют только в специальных условиях, оснащая распределительное оборудование.
3. Быстродействующие выключатели — характеризуются невероятной скоростью реагирования на проблемы в электрической цепи. По заявлениям производителей, скорость равна 5 миллисекундам.
4. Устройства замедленного действия — скорость срабатывания варьируется в пределах 10−100 миллисекунд.
5. Селективные — характеризуются поддержкой регулировки режима выключения.
6. Электрические модели обратного тока — способны срабатывать только при изменении направления тока в каком-либо диапазоне.
7. Поляризованные детали — отключают тот участок цепи, в котором замечается существенный скачок интенсивности тока.
8. Неполяризованные — работают наподобие предыдущих разновидностей, но не ограничиваются одним направлением тока.

Что касается скорости отключения, то она определяется принципом работы автомата, а также соответствующими условиями для обесточивания конкретного участка. Они создаются электрооборудованием и токоограничивающими элементами.

Принцип действия и устройство

Принцип действия, конструкция и другие особенности автоматического выключателя определяются сферой эксплуатации и задачами, для которых он предназначается. Включение и выключение оборудования осуществляется как ручным образом, так и с помощью специального привода.

Первый вариант запуска имеется в защитных моделях, которые работают с силой тока до 1 тыс. ампер. Их характеризует высокая коммутационная способность, которая никак не зависит от интенсивности движения рукояти. При возникновении аварийной ситуации выключатель самостоятельно отсоединяет цепь, к чему приводит запуск механизма свободного расцепления.

Незаменимым элементом узла является расцепитель. Его задача заключается в контролировании рабочих свойств определенного участка цепи и воздействии при непредвиденных обстоятельствах на выключатель. Кроме этого, расцепитель способен удаленно отключать автомат, что немаловажно при обслуживании сложных и мощных цепей. Существуют такие виды подобных элементов:

1. Электромагнитные — способны защищать цепь проводки от коротких замыканий.
2. Термические — препятствуют воздействию интенсивных скачков силы тока.
3. Смешанные.

Также в продаже имеются полупроводниковые выключатели, которые характеризуются простотой регулировки и стабильными настройками. Их используют в электрических цепях многоквартирных домов и коттеджей.

Если возникает необходимость выполнить соединение цепи при отсутствии подключения к сети, можно обойтись защитными выключателями без расцепителей. На сегодняшний день в продаже доступны сотни моделей и типов выключателей, которые подходят для различной среды эксплуатации и не боятся сверхинтенсивного использования. Отдельные серии выдерживают максимальные нагрузки и не боятся окружающих воздействий.

Выбирая подходящий выключатель автомат, нужно предварительно ознакомиться с документацией, которая поставляется вместе с ним. Это позволит подобрать оптимальный вариант для домашней сети.

Особенности конструкции

Разбираясь с принципом работы «автомата», важно знать об основных компонентах, из которых он состоит. Большинство моделей работает на основе таких узлов:

1. Система расцепления.
2. Контактные соединения.
3. Узел контроля.
4. Прибор для гашения дуги.
5. Расцепители.

Контактная система представляет собой соединение статичных и динамичных контактов, которые закрыты в специальном кожуге. Динамичные контакты удерживаются шарнирами на полуоси рукояти. Их задача заключается в осуществлении одинарного отключения участка цепи.

Устройство для погашения дуги располагается в двух полюсах и предназначается для захвата дуги и ее охлаждения. По своей конструкции механизм представляет собой камеру гашения дуги с деионной решеткой из пластинок. Что касается системы расцепления, то это шарнирный компонент на три или четыре звена. С ее помощью осуществляется мгновенное расцепление и выключение контактной системы. Сферы применения затрагивают и ручные устройства, и автоматические.

Задача электромагнитного расцепителя заключается в выключении всей системы при коротком замыкании. По конструкции он представляет собой обычный электромагнит со специальным крюком. У отдельных моделей может присутствовать система гидравлического замедления. Существует еще один тип расцепителей — тепловой. Элемент является небольшой металлической пластинкой, которая деформируется под воздействием повышенного уровня напряжения и запускает процесс отключения.

Полупроводниковые элементы — это измерительный датчик, магнит и блок реле. Магнит воздействует на всю систему, а измерительный датчик состоит из трансформатора для переменного тока или усилителя для постоянного тока.

Большинство моделей защитных приборов оснащены совмещенными расцепителями, которые работают на основе термоэлементов для защиты от повышения силы тока, а также магнитных катушек для предотвращения коротких замыканий.

Защитные конструкции обладают несколькими компонентами, размещенными внутри или снаружи автомата. В их числе всевозможные расцепители и контакты, приводы для удаленного контроля, сигнализационное оборудование и датчики автоматического отключения.

Режимы работы

Находясь в обычном режиме работы, выключатель пропускает ток с той силой, которая соответствует нормальному уровню. Электроэнергия, используемая для функционирования устройства, поступает на верхнюю клемму. В свою очередь, эта клемма взаимодействует со статичным контактом, который передает ток на динамичный контакт, металлический проводник и непосредственно на катушку соленоида.

Оказываясь в этой катушке, электричество начинает проходить по термическому расцепителю, а затем проникать на клемму в нижней части защитного оборудования. При существенном скачке напряжения или повышении риска замыкания выключатель автоматически останавливает работу сети.

Если появляется перегруз цепи, элемент работает по другому принципу. Такое явление замечается при сильном повышении силы тока в конкретном участке, которая превышает допустимое значение в несколько раз. При контакте с тепловым расцепителем этот ток начинает деформировать его, что становится сигналом для отключения автомата.

Такой тип защиты не способен срабатывать моментально, так как процесс деформации пластинки занимает какое-то время и требует достаточного прогревания. Скорость отключения определяется избыточной силой тока в защищаемой зоне и занимает временной промежуток от нескольких секунд до часа. За счет такой задержки лишние отключения автомата из-за минимальных и непродолжительных скачков практически исключаются. В большинстве случаев эти скачки происходят при запуске электроприборов с высоким пусковым током.

Что касается показателей, при которых термический элемент начинает работать, то они регулируются специальной деталью и настраиваются еще во время производства элемента. Оптимальным вариантом является значение, превышающее нормальное число в 1,1−1,5 раза.

Также нужно учитывать тот факт, что в зданиях с повышенной температурой автомат защиты сети может функционировать со сбоями, так как в подобных условиях металлическая пластина поддается деформации гораздо быстрее. В холодной среде все происходит в обратном порядке — выключатель слишком долго не реагирует на скачки напряжения электрического тока.

Реакция на короткое замыкание

Современные выключатели способны обезопасить сеть не только от скачков напряжения и перегруза, но и от частых замыканий. Как известно, подобные происшествия повышают интенсивность тока до той температуры, при которой начинается процесс расплавления изоляции проводки. А ведь подобное происшествие влечет за собой опасные последствия и может привести к пожарной ситуации. Чтобы избежать образования коротких замыканий, нужно вовремя выключить электричество. Именно для этих целей и используется выключатель.

Устройство состоит из катушки соленоида и сердечника, который фиксируется посредством небольшой пружины. При возникновении непредвиденного скачка напряжения начинает расти магнитная индукция. В связи с этим происходит моментальное размыкание контактов, а подача электротока в защищаемый участок приостанавливается. Электромагнитная деталь включается за несколько миллисекунд и препятствует воспламенению изоляции.

При отключении контактов между ними образуется дуга с температурой до 3 тыс. градусов. Естественно, бытовые приборы не способны перенести воздействие такого температурного режима, поэтому защитные автоматы дополнительно оснащают элементом гашения дуги, которые напоминают собой коробку из металлических пластинок.

Полезные советы

Если запуск электрооборудования был вызван коротким замыканием, то без устранения причины поломки восстановить электричество не получится. Зачастую проблема случается при повреждении какого-нибудь бытового прибора, поэтому, чтобы вернуть все на свои места, достаточно отсоединить вышедшее из строя устройство от сети, а затем повторно запустить выключатель. При успешном выполнении такой задачи система должна снова заработать. А если этого не произошло, значит, придется обратиться за помощью к специалистам и определить первоначальный источник поломки.

Столкнувшись с проблемой частых отключений защитных элементов, не нужно спешить покупать новый прибор с более высокими показателями силы тока — проблема от этого не исчезнет. Ведь на этапе монтажа выключателей учитывается площадь поперечного сечения провода, поэтому чрезмерно высокий ток не появится в проводке.

Для определения причины поломки и дальнейших действий следует вызвать специалиста, но не пытаться сделать все своими руками. В большинстве случаев самостоятельные действия не дают никаких хороших результатов, а иногда и приводят к плачевным последствиям.

К сожалению, пожарные ситуации возникают слишком часто, и зачастую к ним приводит халатность потребителей, которые не соблюдают основные правила обращения с электроприборами и электричеством в целом. Но намного разумнее предупредить последствия пожара, чем потом горько жалеть о случившемся.

И если в недалеком прошлом защиту от коротких замыканий и перегруза осуществляли классические предохранители из фарфора со сменными вставками, а также пробки, то сегодня это решается с помощью автоматизированного оборудования. Выбирая такой элемент, нужно заранее ознакомиться с его техническими характеристиками и совместимостью с конкретной цепью. Качественный автомат защиты сможет спасти бытовые приборы от повреждения, а жилище от пожарной опасности.

Автоматический выключатель: определение, принцип работы

Автоматический выключатель — электрический аппарат, предназначенный для нечастых операций включения и отключения токов нагрузки в номинальном режиме, а также автоматического отключения питающей цепи в аварийном режиме: при перегрузке или коротком замыкании.

Так называемые автоматы приобрели широкое применение в щитках зданий, где они выполняют роль защиты линий электропроводки от перегруза или к.з.

В электроустановках автоматический выключатель играет очень важную роль. Он применяется в распределительных щитах переменного и постоянного тока собственных нужд подстанций, шкафах и отсеках релейной защиты и автоматики.

Конструктивно автоматы бывают одно- двух- трех- и четырехполюсные.

Защитные функции аппарата выполняют специальные расцепители, которые, в зависимости от выпоняемой функции делятся на:

• тепловые;
• электромагнитные;
• независимые;
• обратного тока;
• минимального и максимального напряжения.

Тепловой расцепитель обеспечивает отключение автоматического выключателя при прохождении через него тока значением выше номинального, то есть при перегрузке. Основа расцепителя теплового типа – биметаллическая пластина, которая состоит из двух слоев разного металла. В результате нагрева данной пластины до определенной величины происходит ее изгиб. Пластина, изгибаясь, воздействует на механизм отключения аппарата.

Электромагнитный расцепитель предназначен для мгновенного отключения автомата при коротком замыкании на линии, а также при превышении номинального тока в несколько раз. Ток, при котором срабатывает электромагнитный расцепитель, можно определить по классу автомата. Например, класс B – 3-5 номинальных значений тока, C – 5-10, а D – 10-12. Расцепитель данного типа являет собой электромагнит, по которому течет ток нагрузки. В номинальном режиме сердечник электромагнита находится в неподвижном состоянии. В случает короткого замыкания по обмотке электромагнита течет очень большой ток, в результате сердечник втягивается и воздействует на механизм отключения автоматического выключателя.

Расцепители независимые обеспечивают отключение автоматов дистанционно.

Механизмы обратного тока обеспечивают отключение автомата при прохождении через него постоянного ток обратной полярности.

Расцепители минимального и максимального напряжений срабатывают при достижения значения напряжения определенной уставки. Например, если установить уставку минимального напряжения в 210 вольт, то при понижении напряжения до 210 и менее вольт произойдет отключение автомата.

При отключении автомата образуется электрическая дуга, которая может повредить аппарат. Для того чтобы погасить возникшую дугу в выключателе предусмотрено дугогасительное устройство.

Конструкция автоматического выключателя

Рассмотрим основные конструктивные элементы автоматического выключателя:

Устройство и принцип работы автоматических выключателей

Автоматические выключатели предназначены для защиты разветвленной или линейной электрической цепи от перегрузок и короткого замыкания. Устанавливаются выключатели сразу же после счетчика электроэнергии. Если в цепи повысилась допустимая сила тока, то срабатывает тепловой или электромагнитный контур и подача тока прекращается. Устройство автоматического выключателя не предусматривает автоматического включения, только выключение. Возобновить подачу тока можно только вручную, после обнаружения и ликвидации причины неисправности.

Электрическая схема автоматического выключателя

Принципиальная схема автоматического выключателя очень простая — ток проходит по проводнику, который последовательно подключен к биметаллической пластине, индукционной катушке и расцепителю. Под термином «расцепитель» подразумевается контактное устройство с подвижной перемычкой. Под действием определенных усилий перемычка отодвигается от проводника, и ток прекращает поступать в цепь.

Типовое устройство электрического автоматического выключателя предполагает использование в качестве источника расцепляющего усилия биметаллическую пластину или электромагнит. В первом случае пластина реагирует на нагревание и изгибается. Изгиб происходит за счет того, что одна часть пластины сделана из металла с низким коэффициентом терморасширения, а другая — с высоким. Неравномерное увеличение длины приводит к деформации пластины, которая тянет за собой перемычку размыкателя и отключает ток.

Нагрев и деформация пластины происходит достаточно медленно. Это сделано преднамеренно, если в сети незначительно повысилась допустимая сила тока, то автомат среагирует не сразу. Возможно, в этот момент запустился двигатель холодильника или включился насос подпитки. Если перегрузка не превышает 3–5 номиналов на протяжении нескольких секунд, автомат не сработает. После отключения потребителей, ток возвращается к предыдущим параметрам, и сеть функционирует в заданном режиме. Но при длительной перегрузке автомат отключит подачу тока. Это может произойти, например, если в домашнюю сеть включается сварочный аппарат или мощный компрессор.

По-другому происходит, если возникает короткое замыкание. В этом случае биметаллическая пластина слишком медленная, чтобы справиться с нагрузкой. Выручает электромагнитная катушка. Сильное изменение силы тока порождает мощное электромагнитное поле вокруг катушки. Специальный стальной стержень, связанный с расцепителем, притягивается к сердечнику катушки и цепь размыкается. Время срабатывания электромагнита измеряется долями секунды.

Но возникает другая опасность — угроза появления электрической дуги, которая может попросту сжечь автоматический выключатель. Для защиты в схеме устройства автоматического выключателя предусмотрен узел гашения дуги. Он состоит из нескольких металлических пластин, которые рассекают дугу на мелкие потоки и поглощают часть тепла.

В описании устройство и принцип действия автоматического выключателя несколько упрощены, но процессы внутри АВ протекают именно в таком порядке. Типовой автоматический выключатель оснащен двумя контурами — электромагнитным и тепловым. Но есть и модели АВ, которые работают только по одной схеме защиты. Например, автоматы для электродвигателей не оснащаются тепловой защитой, только электромагнитной от КЗ. По уровню чувствительности автоматы подразделяются на несколько типов:

• В — ток размыкания в диапазоне 3–5 номинала;
• С — 5–10 от номинала;
• D — 10–20 номинала.

Сам номинал конкретного АВ указан на корпусе после буквенного индекса, например, С16. Для бытового использования лучше всего подходят именно автоматы класса С.

Принцип работы автоматического выключателя

Нормальный рабочий режим автомата при номинальном или низком токе. Рабочий ток проходит по верхней клемме автомата, через подвесной контакт, по катушке электромагнитного расцепителя, затем проходит тепловой механизм расцепителя и нижнюю клемму автомата. При размерах тока превышающих номинал, срабатывает электромагнитная или тепловая защита.

Разновидности автоматических выключателей

С целью защиты от перегрузки по току в автомате используется тепловой расцепитель как защита от перегрузки, — это биметаллическая узкая полоса пластины собранная из двух типов сплавов, имеющих разные коэффициенты температурного расширения.

Составная биметаллическая пластина нагревается протекающим током и выгибается в сторону металла с маленьким расширением. Когда ток больше номинальной величины, то со временем пластина выгибается настолько, что этого изгиба хватает для реагирования тепловой защиты. Время, при котором среагирует расцепитель, зависит от степени превышения относительно номинального тока.

При значительном увеличении от номинала тока, тепловая защита отключит автомат быстрее, чем при малом превышении от номинала. Второй тип защиты автомата срабатывает на короткое замыкание в нагрузке – это электромагнитный расцепитель. Он состоит из медной катушки с металлическим сердечником. Относительно величины проходящего тока растет и электромагнитное поля катушки, которое намагничивает стальной сердечник.

Демонстрация механизмов автомата

Намагниченный сердечник притягивается, преодолевая усилие удерживающей его пружины, толкает механизм электромагнитной защиты и разрывает контакты. Номинального тока и тока немного выше не хватает для намагниченности сердечника, чтобы сработал механизм расцепителя. А ток короткого замыкания создает намагниченность сердечника достаточную для отключения автомата за сотые доли секунды или даже меньше.

Защита автомата при разных перегрузках

Механизм теплового расцепителя не сработает при небольшом и недолгом токе выше номинального. При большой продолжительности тока больше номинального сработает тепловой расцепитель. Время, отключения автомата тепловой защитой, может доходить до часу.

Механизмы автоматического выключателя

Временная задержка позволяет не отключать автоматы при значительных пусковых токах двигателя и кратковременных бросках тока. Время токовая характеристика тепловых расцепителей зависит также от окружающей температуры. При повышенных температурах тепловая защита отработает быстрее, чем на холоде.

Вызвать перегрузку можно включением нескольких бытовых приборов — это чайник, стиральная машина, кондиционер, электроплита. При перегрузке автомат отключается, но сразу включить его невозможно, нужно ждать, чтобы остыла биметаллическая пластина.

Работа автомата при коротком замыкании

Большие токи короткого замыкания могут оплавить электропроводку или сжечь изоляцию. Чтобы сохранить электропроводку, используют электромагнитный расцепитель. При коротких замыканиях механика электромагнитного расцепителя срабатывает мгновенно, защищая электропроводку, и она не успевает нагреться.

Однако во время размыкания контактов появляется электрическая дуга с огромной температурой. Для защиты от обгорания контактов, разрушения корпуса предназначена дугогасительная камера. Конструктивно камера состоит из элемента с набором медных тонких пластин с небольшим зазором.

Электромагнитная и тепловая защита автоматического выключателя

Электрическая дуга касаясь набора пластин через медный провод соединенного с контактом, рассыпается на части, остывает и исчезает. При коротком замыкании образуются газы, которые выходят через отверстия в камере. Для повторного включения автомата, нужно устранить причину короткого замыкания, или автомат опять выбъет.

Виновника короткого замыкания можно определить последовательным выключением бытовых электроприборов. Но если после отключения всех приборов короткое замыкание не исчезает, то большая вероятность его происхождения в электропроводке. Состояние короткого замыкания могут вызвать электроосветительные приборы, которые также необходимо отключать.