Автоматические выключатели

Автоматический выключатель — это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для включения и отключения электрической цепи в ручном режиме, а также для автоматической защиты электрической сети и подключенного к ней оборудования от аварийных режимов работы, таких как токи короткого замыкания (КЗ), токи перегрузки и недопустимые снижения напряжения. В отличие от плавких предохранителей, автоматический выключатель способен многократно выполнять защитные функции без замены элементов, так как его коммутационный механизм восстанавливается после срабатывания.

История

Предпосылки к созданию автоматических выключателей возникли в конце XIX века с развитием электрических сетей. Первые прототипы, известные как «автоматические предохранители», появились в 1870-х годах. Они представляли собой электромагнитные устройства, отключающие цепь при превышении заданного тока. Значительный вклад в развитие внес Томас Эдисон, который в 1879 году запатентовал конструкцию с биметаллической пластиной для защиты от перегрузок.

В 1924 году швейцарская компания Brown, Boveri & Cie (ныне ABB) представила первый коммерческий автоматический выключатель с комбинированным расцепителем (тепловым и электромагнитным). В СССР серийное производство автоматических выключателей началось в 1930-х годах. Первые модели, такие как А-3100, использовались в промышленности. Массовое внедрение в бытовые сети произошло во второй половине XX века с введением стандартов на модульные конструкции (DIN-рейка).

Устройство и принцип действия

Основными элементами автоматического выключателя являются:

• Корпус — изготавливается из ударопрочной изоляционной пластмассы (например, термореактивного пластика или полиамида).
• Контактная система — подвижные и неподвижные контакты, выполненные из медно-графитовых или серебросодержащих сплавов для обеспечения высокой проводимости и стойкости к дуге.
• Дугогасительная камера — набор стальных пластин (деионная решетка), разделяющих и охлаждающих электрическую дугу, возникающую при размыкании контактов под нагрузкой.
• Расцепители — механизмы, обеспечивающие автоматическое отключение. Различают тепловые (биметаллическая пластина) и электромагнитные (катушка с сердечником) расцепители.
• Привод — рукоятка или рычаг для ручного включения и отключения.
• Механизм свободного расцепления — система рычагов и пружин, обеспечивающая мгновенное размыкание контактов при срабатывании любого из расцепителей, независимо от положения рукоятки.

Принцип действия основан на двух типах защиты:

1. Защита от перегрузки (тепловой расцепитель). При длительном протекании тока, превышающего номинальный, биметаллическая пластина нагревается, изгибается и воздействует на механизм расцепления. Время срабатывания обратно пропорционально току — чем выше ток, тем быстрее отключение.
2. Защита от короткого замыкания (электромагнитный расцепитель). При резком возрастании тока (обычно в 5–10 раз выше номинального) катушка электромагнита втягивает сердечник, который мгновенно (за 0,01–0,02 с) воздействует на механизм расцепления.

Классификация

Автоматические выключатели классифицируются по нескольким основным признакам.

По роду тока и напряжению

• Постоянного тока — применяются в системах электротранспорта, промышленных установках, солнечных электростанциях.
• Переменного тока — наиболее распространены, используются в бытовых и промышленных сетях напряжением 220/380 В, а также на высоковольтных подстанциях (6–10 кВ и выше).

По числу полюсов

• Однополюсные — защищают одну фазную линию, отключают только фазу. Применяются в цепях освещения и розеток.
• Двухполюсные — отключают одновременно фазу и ноль. Используются в однофазных сетях с повышенными требованиями к безопасности.
• Трёхполюсные — отключают три фазы. Применяются в трёхфазных сетях для защиты электродвигателей, станков, распределительных щитов.
• Четырёхполюсные — отключают три фазы и нейтраль. Используются в четырёхпроводных трёхфазных сетях (например, в системах TN-C-S).

По типу расцепителя

• Электромагнитные — только защита от КЗ.
• Тепловые — только защита от перегрузки.
• Комбинированные — содержат оба расцепителя (наиболее распространены).
• Электронные — используют датчики тока и микропроцессор для управления отключением. Позволяют гибко настраивать параметры срабатывания.

По времятоковой характеристике

Характеристика срабатывания определяет диапазон токов, при котором электромагнитный расцепитель срабатывает мгновенно. Обозначается буквой латинского алфавита:

По конструктивному исполнению

• Модульные — устанавливаются на DIN-рейку, имеют стандартную ширину (1 модуль = 17,5 мм). Наиболее распространены в бытовых и офисных распределительных щитах.
• В литом корпусе — корпус выполнен из изоляционного материала, неразборный. Применяются для токов от 100 до 1600 А в промышленных установках.
• Воздушные — открытые конструкции, устанавливаемые на металлических панелях. Используются для токов свыше 1600 А на подстанциях и крупных промышленных объектах.

Применение

Автоматические выключатели являются обязательным элементом любой электрической сети. Основные области применения:

• Бытовая электротехника — защита внутриквартирных и домовых распределительных щитов, цепей освещения, розеток, бытовой техники (стиральные машины, холодильники, кондиционеры).
• Промышленность — защита электродвигателей, станков, насосов, компрессоров, сварочного оборудования, распределительных шкафов и щитов.
• Энергетика — защита линий электропередачи, трансформаторных подстанций, генераторов, распределительных устройств.
• Транспорт — защита электрооборудования железнодорожного транспорта, метро, электромобилей, судов.
• Строительство — защита временных и постоянных электрических сетей на стройплощадках.

Критерии выбора

При выборе автоматического выключателя необходимо учитывать следующие параметры:

• Номинальное напряжение — должно быть не меньше напряжения сети.
• Номинальный ток — выбирается исходя из сечения и материала проводников, а также мощности подключаемых нагрузок. Обычно на 10–20% меньше допустимого тока кабеля.
• Ток отключения (отключающая способность) — максимальный ток КЗ, который выключатель способен разомкнуть без повреждения. Для бытовых сетей обычно достаточно 4,5–6 кА, для промышленных — 10–25 кА.
• Времятоковая характеристика — выбирается в зависимости от типа нагрузки (B, C, D).
• Число полюсов — определяется типом сети (однофазная, трёхфазная) и необходимостью отключения нулевого провода.
• Климатическое исполнение — для использования в помещениях с высокой влажностью или на открытом воздухе.

Интересные факты

• Первый автоматический выключатель, способный размыкать цепь при коротком замыкании, был создан в 1884 году американским изобретателем Генри Вудвордом.
• В СССР до 1960-х годов в бытовых сетях массово использовались плавкие предохранители («пробки»). Автоматические выключатели начали вытеснять их только в 1970-х годах.
• Современные модульные автоматические выключатели способны выдерживать до 10 000 циклов включения-отключения без потери характеристик.
• В высоковольтных выключателях (напряжением 6–10 кВ и выше) для гашения дуги используется вакуум, элегаз (SF6) или масло.
• В некоторых моделях автоматических выключателей применяется токоограничивающая функция — они размыкают контакты настолько быстро, что ток КЗ не успевает достичь своего максимального значения, что снижает термическое и динамическое воздействие на сеть.

Источники

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е издание.
2. ГОСТ Р 50345-2010 (МЭК 60898-1:2003). Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения.
3. ГОСТ Р 50030.2-2010 (МЭК 60947-2:2006). Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 2. Автоматические выключатели.
4. Кудрин Б. И. «Электроснабжение промышленных предприятий». — М.: Энергоатомиздат, 2005.
5. Шеховцов В. П. «Справочник по электрооборудованию и электроснабжению». — М.: Инфра-М, 2018.