Автоматический выключатель

Автоматический выключатель — это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для включения и отключения электрической цепи вручную или автоматически при возникновении аварийных режимов (токов короткого замыкания, перегрузки, недопустимого снижения напряжения). Автоматические выключатели являются основными аппаратами защиты электрических сетей и электроприемников в распределительных устройствах, вводно-распределительных устройствах зданий и в бытовых электрощитах.

История

Первые прототипы автоматических выключателей появились в конце XIX века. В 1879 году Томас Эдисон запатентовал плавкий предохранитель, однако он требовал замены после каждого срабатывания. Первый автоматический выключатель с возможностью многократного использования был создан в 1900 году компанией Brown, Boveri & Cie (Швейцария). Он использовал электромагнитный расцепитель и масляный дугогаситель.

В 1920-х годах немецкий инженер Хуго Штенцель разработал конструкцию автоматического выключателя с воздушным дугогашением, которая стала основой для современных модульных устройств. Массовое производство автоматических выключателей началось в 1930-х годах в США (компания Square D) и Европе. В СССР первые автоматические выключатели серии АП50 выпускались с 1950-х годов.

Современные автоматические выключатели (модульные, литые корпусные, воздушные) выпускаются тысячами моделей десятками производителей по всему миру, стандартизированы по международным нормам (МЭК 60898, МЭК 60947-2) и национальным стандартам (ГОСТ Р 50345, ГОСТ 9098).

Устройство и принцип действия

Автоматический выключатель состоит из следующих основных узлов:

• Корпус — изготавливается из изоляционного материала (термостойкая пластмасса), обеспечивает защиту от прикосновения к токоведущим частям и механическую прочность.
• Контактная система — подвижные и неподвижные контакты, через которые проходит рабочий ток. Контакты выполняются из серебросодержащих композиций для обеспечения низкого переходного сопротивления и высокой износостойкости.
• Дугогасительная камера — устройство для гашения электрической дуги, возникающей при размыкании контактов под нагрузкой. Состоит из набора стальных пластин (деионная решетка), разбивающих дугу на короткие дуги, которые гаснут при переходе тока через ноль.
• Расцепители — чувствительные элементы, обеспечивающие автоматическое отключение:
• Электромагнитный расцепитель (соленоид) — срабатывает при токах короткого замыкания (КЗ) практически мгновенно (0,01–0,02 с). Состоит из катушки и подвижного сердечника, который при превышении тока выше порога срабатывания выбивает защелку механизма свободного расцепления.
• Тепловой расцепитель (биметаллическая пластина) — срабатывает при длительном превышении номинального тока (перегрузке). Пластина изгибается при нагреве и воздействует на защелку. Время срабатывания обратно пропорционально току (чем больше перегрузка, тем быстрее отключение).
• Полупроводниковый расцепитель (электронный блок) — используется в промышленных выключателях, обеспечивает точную регулировку токов срабатывания и временных задержек.
• Механизм свободного расцепления — система рычагов и пружин, обеспечивающая быстрое размыкание контактов независимо от скорости движения рукоятки управления.
• Управляющая рукоятка — для ручного включения и отключения, а также для индикации состояния (включен/отключен/сработал от защиты).

Принцип действия: в нормальном режиме ток протекает через контакты и расцепители. При возникновении токов КЗ электромагнитный расцепитель мгновенно (без выдержки времени) отключает выключатель. При длительной перегрузке тепловой расцепитель через некоторое время (от секунд до часов) отключает цепь. После устранения причины аварии выключатель можно снова включить вручную.

Классификация

Автоматические выключатели классифицируются по нескольким признакам:

По номинальному напряжению

• Низковольтные (до 1000 В переменного тока, до 1500 В постоянного тока) — наиболее распространены.
• Высоковольтные (свыше 1000 В) — для распределительных сетей и подстанций.

По конструктивному исполнению

• Модульные (MCB — Miniature Circuit Breaker) — устанавливаются на DIN-рейку, номинальные токи до 125 А, отключающая способность до 10–25 кА. Используются в бытовых и административных зданиях.
• В литом корпусе (MCCB — Molded Case Circuit Breaker) — номинальные токи от 16 до 1600 А, отключающая способность до 100 кА. Применяются в промышленных распределительных устройствах.
• Воздушные (ACB — Air Circuit Breaker) — открытой конструкции, номинальные токи до 6300 А, отключающая способность до 200 кА. Устанавливаются в главных распределительных щитах крупных объектов.

По числу полюсов

• Однополюсные (1P) — защита одной фазы.
• Двухполюсные (2P) — защита двух фаз или фазы и нейтрали (с одновременным отключением обоих).
• Трёхполюсные (3P) — защита трёх фаз.
• Четырёхполюсные (4P) — защита трёх фаз и нейтрали.

По типу расцепителя

• С электромагнитным и тепловым расцепителем (комбинированные) — стандартный тип.
• С электронным расцепителем — с регулируемыми уставками.
• С полупроводниковым расцепителем — для точной селективной защиты.
• Без расцепителей (выключатели-разъединители) — только ручное отключение.

По времятоковой характеристике (для модульных выключателей)

• B — отключение при 3–5-кратном превышении номинального тока (для защиты осветительных сетей, розеточных групп с малыми пусковыми токами).
• C — отключение при 5–10-кратном превышении (для защиты цепей с умеренными пусковыми токами — двигатели, бытовая техника). Наиболее распространена в быту.
• D — отключение при 10–20-кратном превышении (для защиты цепей с большими пусковыми токами — трансформаторы, мощные двигатели, сварочные аппараты).
• K и Z — специальные характеристики для защиты полупроводников и кабелей.

Применение

Автоматические выключатели используются во всех электрических установках:

• В быту — в квартирных и домовых электрощитах для защиты розеточных и осветительных групп, а также отдельных мощных потребителей (электроплиты, стиральные машины, кондиционеры).
• В административных и общественных зданиях — в этажных и магистральных щитах.
• В промышленности — в распределительных устройствах цехов, станций управления, силовых шкафах для защиты двигателей, нагревателей, трансформаторов.
• На объектах энергетики — в главных распределительных щитах подстанций, в системах собственных нужд электростанций.
• На транспорте — в электрооборудовании железнодорожных составов, морских судов, самолётов.

Основные параметры и характеристики

При выборе автоматического выключателя учитываются:

• Номинальный ток (In) — значение тока, которое выключатель может длительно пропускать без срабатывания (стандартный ряд: 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125 А и выше).
• Номинальное напряжение (Ue) — максимальное рабочее напряжение, при котором гарантирована работа (обычно 230/400 В для бытовых сетей).
• Отключающая способность (Icn) — максимальный ток короткого замыкания, который выключатель способен отключить без повреждения (стандартные значения: 4,5; 6; 10; 15; 25; 50; 100 кА).
• Класс токоограничения — способность ограничивать энергию, пропускаемую через выключатель при КЗ (классы 1, 2, 3; чем выше, тем лучше).
• Селективность — способность отключать только повреждённый участок сети при сохранении питания на остальных.

Критика и ограничения

Автоматические выключатели имеют ряд недостатков:

• Чувствительность к температуре — тепловой расцепитель зависит от температуры окружающей среды, что может приводить к ложным срабатываниям в жаркую погоду или к задержке отключения на холоде.
• Износ контактов — после многократных отключений токов КЗ контакты подгорают, что увеличивает переходное сопротивление и снижает надёжность.
• Необходимость ручного возврата — после срабатывания требуется ручное включение, что неудобно в удалённых или автоматизированных системах (в таких случаях применяются автоматические выключатели с дистанционным управлением или контакторы).
• Ограниченная отключающая способность — при токах КЗ, превышающих номинальную отключающую способность, выключатель может разрушиться (взрыв дуги, выброс плазмы). Для защиты применяются последовательно включённые предохранители или выключатели с более высокой отключающей способностью.

Интересные факты

• Первый модульный автоматический выключатель современного типа (с креплением на DIN-рейку) был выпущен компанией Siemens в 1970-х годах.
• В России и странах СНГ наиболее распространены выключатели с времятоковой характеристикой C — до 80% всех установленных в быту.
• Некоторые модели автоматических выключателей оснащаются дополнительными устройствами: независимыми расцепителями (для дистанционного отключения), вспомогательными контактами (для сигнализации состояния), контактами для подключения к системам «умный дом».
• В высоковольтных сетях (6–35 кВ) вместо автоматических выключателей обычно применяются вакуумные или элегазовые выключатели, работающие по сходному принципу, но с иными конструктивными решениями.

Источники

• ГОСТ Р 50345-2010 (МЭК 60898-1:2003) «Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения».
• ГОСТ 9098-78 «Выключатели автоматические низковольтные. Общие технические условия».
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), глава 3.1 «Защита электрических сетей напряжением до 1 кВ».
• Кудрин Б. И. «Электроснабжение промышленных предприятий». — М.: Энергоатомиздат, 2005.
• Каталоги и техническая документация компаний Schneider Electric, ABB, Siemens, IEK, EKF.