Конструкция принцип действия автоматического выключателя

Конструкция, принцип действия и основные технические характеристики

Устройство и работа выключателя

Выключатель состоит из трех дугогасительных полюсов, закрепленных на корпусе, который является основной несущей и изоляционной деталью. Каждый полюс содержит вакуумную дугогасительную камеру (КДВ), механизм дополнительного поджатия контактов КДВ и тоководы, конструктивно расположенные в корпусе.

Электромагнитный привод через систему рычагов замыкает и размыкает контакты КДВ.

Электрическая схема блока питания и управления собрана на панели, закрепленной на корпусах дугогасительных блоков.

Выключатель имеет в своем составе микропроцессорный блок защиты и встроенные (на верхних тоководах) блоки трансформаторов, отслеживающих токи и напряжения главной цепи.

Включение выключателя

Для включения выключателя необходимо подать напряжения управления на разъем РП управление выключателем производится через контакты разъема РП При этом электромагнит включения включается и своим штоком приводит в движение рычажную систему. Она через вал привода, шпильку, изолятор замыкает контакты камеры, затем, перемещаясь дальше обеспечивает контактное поджатие через пружину. Рычажная система встает на защелку, и контакты размыкаются, и питание электромагнита снимается. Выключатель включен.

Отключение выключателя

Отключение выключателя производится электромагнитом отключения кнопкой отключения или расцепителями в аварийных ситуациях.

При отключении подается команда на один из выше перечисленных объектов, вал механизма защелки поворачивается, фиксатор освобождает рычаг рычажной системы. Рычажная система под действием пружин и возвращается в отключенное положение и через шпильку размыкает контакты камер. После отключения рычажная система под действием пружин самовзводится, выключатель готов к работе.

Аварийное отключение производится микроблоком защиты, который отслеживает сигналы с блоков трансформаторов. При обнаружении аварийной ситуации (ток перегрузки, ток короткого замыкания, пониженное напряжение) блок защиты отключает выключатель, подавая напряжение заряженного конденсатора на оперативный электромагнит отключения. Блок защиты питается от оперативного напряжения управления, а при его отсутствии от блоков трансформаторов, установленных в главной цепи.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Автоматическая защита

Выключатель поставляться как с блоком электронной токовой защиты, так и без блока (для применения в горнорудной и др. отраслях, где токовая защита применяется своя). Электронная токовая защита обеспечивает следующие виды защит (одну или несколько в зависимости от типоисполнения выключателя или без защит):

— максимальная токовая защита каждой из фаз по перегрузу с выдержкой времени, зависимой от тока;

— максимальная токовая защита каждой из фаз по перегрузу с выдержкой времени, независимой от тока;

— токовая отсечка в зоне коротких замыканий с выдержкой времени, зависимой от тока;

— токовая отсечка в зоне коротких замыканий с выдержкой времени, независимой от тока;

— токовая отсечка в зоне коротких замыканий без выдержки времени;

— токовая защита по току утечки на землю с выдержкой времени, независимой от тока;

— минимальная защита каждой из фаз по напряжению, с выдержкой времени;

— нулевая защита каждой из фаз по напряжению, с выдержкой времени.

Устройство обеспечивает оперативную установку
пороговых уровней защиты

* При поставке уставки по току отсечки и току перегрузки с выдержкой времени зависимой от тока программируются неутключаемые уставки.

Примечание:
1) Выделенные уставки устанавливаются заводом-изготовителем, уставки могут перенастраиваться в процессе эксплуатации.
2) При отдельном заказе программируются другие значения уставок по требованию потребителя.

Устройство автоматического выключателя: конструкция, принцип работы

Автоматический выключатель – это защитное устройство, предохраняющее электропроводку потребителя от действия коротких замыканий и перегрузок. Используется он и для нечастых включений или отключений нагрузки.

Автомат пришел на смену предохранителям с плавкими вставками однократного действия. Их защитное действие заключалось в перегорании плавкой вставки после короткого замыкания. После устранения замыкания вставку приходилось менять. Если причина замыкания не была обнаружена, вставка перегорала вновь. В этом – неудобство предохранителей. Второй их недостаток – отсутствие защиты от перегрузок по току.

Автоматические выключатели имеют коммутационный ресурс, но он исчисляется сотнями тысяч включений. Производителями выпускаются автоматы различных видов и назначения, но мы рассмотрим бытовую серию этих изделий. Это – модульные автоматические выключатели. Они имеют компактные размеры, устанавливаются на DIN-рейку и позволяют подключить провода и кабели сечением 16-25 мм 2 .

Устройство автоматического выключателя: модульная конструкция

Слово «модульный» означает, что все элементы электрооборудования собираются из модулей стандартного размера. Ширина одного модуля – около 17 мм. Такую ширину имеет один полюс автоматического выключателя, рубильника, реле и других элементов, из которых собирается электрическая схема распределительного щитка.

Рассмотрим конструкцию одного полюса автоматического выключателя. Для изготовления корпуса используется материал, не поддерживающий горение, с высокой температурой плавления и стойкостью к действию электрической дуги.

Внутри корпуса размещены подвижный и неподвижный контакты выключателя. При повороте рычага управления через механизм взвода и расцепления они соединяются и пропускают ток нагрузки. Для подключения проводов служат клеммы. Ток через выключатель идет по цепи:

При возникновении короткого замыкания срабатывает катушка электромагнитного расцепителя и штоком выбивает защелку механизма расцепления. Контакты размыкаются под действием пружины. При отключении между ними возникает дуга, и в месте ее возникновения резко повышается давление. Автомат устроен так, что место возникновения дуги связано с окружающим пространством только через канал для отвода газов и дугогасительную камеру. Поэтому дугу между контактами вытягивает в камеру, где она дробится о металлические пластинки и гаснет.

Некоторые производители для лучшего гашения дуги устанавливают два контакта, соединенных последовательно.

При перегрузке ток, проходя по нагревательному элементу, заставляет изгибаться биметаллическую пластину. С выдержкой времени, зависящей от кратности тока перегрузки по отношению к номинальному току автомата, пластина вызывает срабатывание механизма свободного расцепления.

Трехполюсный выключатель получается из трех одинаковых корпусов, собранных вместе. Их рычаги управления объединяются, а между корпусами устанавливаются тяги, расцепляющие механизмы соседних фаз при срабатывании защиты.

Модульные автоматические выключатели выпускаются на номинальный ток от 0,5 до 125 А. При выборе их также учитывается характеристика электромагнитного расцепителя: С или D.

Принцип работы автоматического выключателя

Для защиты бытовых электрических цепей обычно используются автоматические выключатели модульной конструкции. Компактность, легкость монтажа и замены, в случае необходимости, объясняет их широкое распространение.

Внешне такой автомат представляет собой корпус из термостойкой пластмассы. На лицевой поверхности расположена рукоятка включения и выключения, сзади – фиксатор-защелка для крепления на DIN-рейке, а сверху и снизу – винтовые клеммы. В данной статье рассмотрим принцип работы автоматического выключателя.

Как работает автоматический выключатель?

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.

Как работает автомат в режиме перегрузки

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

Как работает автомат в режиме 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.

Вот таков принцип работы автоматического выключателя в условиях различных аварийных ситуаций.

Если отключение автоматического выключателя стало для вас постоянной проблемой, не пытайтесь решить ее установкой автомата с большим номинальным током.

Автоматы устанавливаются с учетом сечения вашей проводки, и, значит, больший ток в вашей сети просто не допускается. Найти решение проблемы можно только после полного обследования системы электроснабжения вашего жилища профессионалами.

Особенности выбора автоматического выключателя

Автоматический выключатель, или как его часто называют автомат, самый распространённый элемент для того, для безопасной подачи напряжения в любой вид помещений и на любой электроприемник (потребитель). Главной функцией, которую выполняет автоматический выключатель, считается защита электропроводки от коротких замыканий, возникших в его цепи. Второстепенными функциями данного выключателя считаются: защита от перегрузок, а также безопасная подача напряжения и разрыв силовых цепей под нагрузкой. Дело в том что при возникновении короткого замыкания возникает значительное повышение силы тока в цепи поэтому при его разрыве в таком режиме возникает дуга которую автоматический выключатель гасит. Даже при нормальных рабочих токах, которые могут достигать нескольких сотен ампер, силовые цепи где они протекают разрывать без специальных дугогасительных камер нельзя ни в коем случае. Это прописано в правилах эксплуатации электрооборудования.

Подобрать правильно автоматический выключатель это значит обезопасить электроустановку, которой является в принципе любое жилое или технологическое помещение, от пожаров и перегорания проводки вследствие высоких токов. В принципе туже роль выполняют и предохранители, только этот вид выключателей имеет более быструю защиту и удобство применения.

Принцип действия автоматического выключателя и его конструкция

Выбор выключателей стоит начать с понимания как работает автоматический выключатель и конструктивных особенностей. Каждый такой автомат имеет:

• Несколько полюсов, которые он может включать и отключать. То есть силовые контакты, которые размыкают или замыкают цепь. Их количество может быть от одного до четырёх;
• Дугогасительная система. Она может состоять из специальных камер с узкими щелями для разбития дуги на мелкие части и снижения её выгорающей способности. Также камеры дугогашения могут быть выполнены в виде решётки. Эти две вида камер иногда применяются комбинированно если автомат предназначен для коммутации мощных цепей;

• Привод расцепляющего механизма;
• Расцепитель. Он может иметь электромагнитную, электронную, микропроцессорную или же биметаллическую основу служащую для мгновенного автоматического выключения при создании ненормальных токовых режимов. В свою очередь, он состоит из рычагов, защёлок и отключающих пружин для ускорения срабатывания защиты;
• Одну или несколько пар так называемых блок-контактов или вспомогательных контактов, идущих в цепи сигнализации или же контроля.

Хотелось бы остановиться более конкретно на таком элементе как электромагнитный расцепитель. Он представляет собой катушку (соленоид), подвижная часть которой, и приводит в действие само устройство механического разрыва цепи. Ток, протекающий по силовым контактам, непосредственно проходит и по соленоиду, только вот при нормальной работе, когда его значение не превышает номинального параметра, на который рассчитан автомат, он не выключает автомат. Магнитного поля в этом случае не хватает на то, чтобы якорёк расцепителя сдвинул защёлку и автоматический выключатель остаётся во включенном положении. Как только ток, вследствие короткого замыкания в отходящей цепи, превысит пороговое значение, магнитный поток приведет в движение подвижную часть соленоида и автомат немедленно отключится.

Автоматические выключатели постоянного тока, которые устанавливаются для защиты электродвигателей стационарно имеют несколько расцепителей. Это делается с целью ускорить процесс отключения даже при несрабатывании одного из систем расцепления. Допусти ВАТ (выключатель автоматический токовый), который применяется для электродвигателя главных приводов прокатного стана имеет систему ИДП (индукционно динамический привод). Она дополнительно тянет за подвижный силовой контакт во время отключения автомата от токовой защиты.

Тепловая защита автоматических выключателей почти во всех случаях создана на биметаллической пластине, которая также введена в силовую цепь. При прохождении тока выше номинала она начинает греться и в какой-то момент происходит её деформация или изгиб тем самым разрывается электрическая цепь. Поэтому в таких случая стоит подождать когда она остынет, так как отключенный от тепловой защиты автомат включится не сразу. Иногда если автоматы не имеют чёткой тепловой вставки превышение токового номинала ограничивают отдельно установленными тепловыми реле, работающими по такому же принципу, и имеющие настройку.

Классификация автоматических выключателей

При выборе нужного устройства для подачи напряжения и отключения, вручную или же автоматически, нужно подобрать их исходя из класса. Вот какие бытовые классы автоматических выключателей по току мгновенного расцепления бывают:

1. Тип B: выше 3*I ном. до 5*I ном. включительно (где I ном — номинальный ток). Применяются они для защиты линий освещения или линий, проложенных на длинные расстояния;
2. Тип C: свыше 5*I ном. до 10*I ном. включительно. Такие классы автоматов применяются для защиты розеточных групп или цепи с потребителями, со средними пусковыми токами.
3. Тип D: свыше 10*I ном. до 20*I ном. включительно. Применяется для защиты трансформаторов или цепей потребителей с большими пусковыми токами.

1. тип L: свыше 8*I ном.
2. тип Z: свыше 4*I ном.
3. тип K: свыше 12*I ном.

Немного отличается классификация у западных производителей.

Типы автоматических выключателей

Все они делятся на:

• низковольтные — это до 1000 В;
• высоковольтные, выше 1000 В.

Сразу стоит оградить от непродуманного использования ни в коем случае нельзя использовать низковольтные автоматические выключатели, в цепях высокого напряжения. Это отдельный тип данной аппаратуры, который требует не только правильной установки, но и соответствующей эксплуатации.

Ещё одно различие связано с их исполнением оно бывает:

• Модульное;
• Литое;
• Воздушное силовое.

Именно модульные самые распространенные типы выключателей, применяемых в квартирах, домах, дачных участках, то есть во всех бытовых случаях. Они очень компактны и удобны крепятся на специальную планку называемую DIN-рейкой. Нужно всего лишь разжать элементы крепления, которые стягиваются пружинкой и установить автоматический выключатель в нужное место, чаще всего это электрощиток. Какой размер его ставить, это уже зависит от количества оборудования в нём. Он должен запираться надёжно на ключ, что бы ни дети ни кто-то другой не мог включить автомат когда на линии ведутся работы.

Выбор автоматического выключателя

Выбор автоматических выключателей стоит выполнять в соответствии с указанными на схеме проекта параметрах. Если же стоит вопрос как выбрать выключатель для обычного бытового случая, то тут есть несколько условий:

1. Тип напряжения, то есть 220 Вольт или 380. Здесь сразу же и определиться количество полюсов. При 220 В это одно— или двухполюсный. При трехфазном напряжении это обязательно трёх— или четырёхполюсный ;
2. Рабочий ток. Величина эта рассчитывается по мощности и напряжению всех потребителей которые будут к нему подключены. Ток равен, мощность разделить на напряжение. Подбирайте его лучше немного с запасом. Например, при расчётном 10 Ампер, правильно выбрать выключатель на 16 А;
3. Ток отсечки или отключения стоит выбирать в зависимости от того какой потребитель будет подключен к нему. Любой из них сработает при коротком замыкании;
4. Тип производителей. Экономить здесь не стоит, так как от этого зависит пожарная безопасность.
5. Селективность. Это значит нельзя ставить автомат который будет работать с параметрами выше чем предыдущий. Например, общий автомат на 50 Ампер и срабатывание, допустим, 3*I ном и отходящие от него такие же, с такой же защитой. При произошедшем к.з. может выбить вводной автомат, а не той конкретной цепи где произошла аварийная ситуация. Данный выбор автоматического выключателя имеет важное значение, так как от этого зависит быстрота срабатывания, а значит и отключения.

Последнее время с развитием технологий стали применяться также дополнительно дифференциальные автоматы, и УЗО (устройство защитного отключения), но их работа направлена немного на другие параметры цепи.

Выбор высоковольтных выключателей

Выбор выключателей высоковольтного типа дело более ответственное и кропотливое, здесь уже на DIN-рейку не поставишь. Вот основные параметры, влияющие на выбор таких устройств:

1. Номинальное напряжение и ток;
2. Тип выключателя;
3. Количество полюсов для коммутации;
4. Тип установки, соответствующий условиям работы;
5. Степень быстродействия защиты и время отключения;
6. Количество полных коммутационных циклов, то есть насколько он рассчитан включений и отключений;
7. Ток термической устойчивости;
8. Предельный ток К.З.;
9. Время включения если есть дистанционный привод;
10. Давление газа или воздуха, пневматического или газового приводов.

Также не рекомендуется при выборе отдавать предпочтение китайским производителям данного оборудования, так как они очень часто экономят на цветных металлах. Последнее время отечественные производители вышли на довольно высокий уровень изготовления автоматических выключателей как высоковольтных, так и рассчитанных на напряжение не выше 1000 Вольт.

Все самые важные аспекты освещены, теперь от того как правильно человек выберет этот аппарат будет зависеть безопасность проводки, а значит и пожарная безопасность. Так как самая частая причина возникновения пожаров считается возгорание проводки, а значит подобранный и выбранный автомат вовремя не отключился.

Видео по теме