Circuit breakers

Circuit breaker (с англ. — «автоматический выключатель», «прерыватель цепи») — это устройство, предназначенное для автоматического размыкания электрической цепи при возникновении аварийных режимов работы, таких как короткое замыкание, перегрузка по току или недопустимое снижение напряжения. В отличие от плавкого предохранителя, circuit breaker может многократно использоваться после срабатывания (отключения), так как его коммутационные элементы восстанавливают работоспособность без замены. В электроэнергетике и электротехнике circuit breakers классифицируются по номинальному напряжению, роду тока (постоянный или переменный), конструктивному исполнению и типу дугогасительной среды.

История

Первые прототипы устройств, способных автоматически отключать электрическую цепь при превышении тока, появились в конце XIX века. В 1879 году Томас Эдисон запатентовал конструкцию плавкого предохранителя, однако его недостаток — необходимость замены после каждого срабатывания — стимулировал поиск многоразовых решений. В 1884 году немецкий инженер Хуго Штаудингер разработал первый масляный автоматический выключатель, в котором дуга гасилась в масле. В 1900 году компания Westinghouse Electric представила воздушный автоматический выключатель для низковольтных сетей. Массовое внедрение circuit breakers в промышленность и быт началось в 1920–1930-х годах с появлением компактных моделей на основе термобиметаллических пластин и электромагнитных расцепителей. В СССР первые автоматические выключатели серии АП-50 были выпущены в 1950-х годах. Современные circuit breakers используют электронные блоки управления, обеспечивающие высокую точность срабатывания и возможность дистанционного управления.

Классификация

Circuit breakers классифицируются по нескольким основным признакам:

По напряжению

• Низковольтные (до 1000 В переменного тока или до 1500 В постоянного тока) — наиболее распространённый тип, используемый в бытовых и промышленных распределительных щитах.
• Высоковольтные (свыше 1000 В) — применяются в электрических сетях напряжением 6–35 кВ, 110–220 кВ и выше, на подстанциях и в распределительных устройствах.

По роду тока

• Для переменного тока — большинство бытовых и промышленных моделей.
• Для постоянного тока — используются в системах электропитания транспорта, солнечных электростанциях, аккумуляторных батареях.

По конструктивному исполнению

• Модульные — устанавливаются на DIN-рейку, компактны, предназначены для защиты цепей освещения, розеток, бытовой техники.
• Воздушные — имеют открытую конструкцию, дуга гасится в воздухе; применяются на большие токи (до 6300 А) в промышленных установках.
• Масляные — дуга гасится в трансформаторном масле; исторически использовались в высоковольтных сетях, но вытесняются вакуумными и элегазовыми.
• Вакуумные — дуга гасится в вакуумной камере; обладают высокой износостойкостью, применяются в сетях 6–35 кВ.
• Элегазовые — дуга гасится в среде элегаза (гексафторида серы); используются в высоковольтных сетях (110 кВ и выше).
• Автоматические выключатели утечки (УЗО) — комбинированные устройства, реагирующие на дифференциальный ток (утечку) и ток перегрузки.

По типу расцепителя

• Тепловой (термобиметаллический) — срабатывает при длительном превышении номинального тока за счёт нагрева биметаллической пластины.
• Электромагнитный — мгновенно отключает цепь при коротком замыкании за счёт действия электромагнита.
• Электронный — использует микропроцессорный блок для измерения тока и времени; обеспечивает регулировку характеристик срабатывания.

Устройство и принцип действия

Основными элементами circuit breaker являются:

• Коммутационные контакты — подвижный и неподвижный, через которые протекает рабочий ток.
• Дугогасительная камера — устройство для гашения электрической дуги, возникающей при размыкании контактов под нагрузкой.
• Расцепитель — механизм, инициирующий отключение при превышении заданных параметров.
• Привод — ручной (рычаг) или электромеханический (пружинный, моторный) для включения/отключения.
• Корпус — изоляционный материал (пластик, керамика), обеспечивающий защиту от прикосновения.

Принцип действия: в нормальном режиме контакты замкнуты, ток проходит через них. При возникновении короткого замыкания ток резко возрастает, электромагнитный расцепитель мгновенно размыкает контакты. При перегрузке (длительном превышении номинального тока) тепловой расцепитель нагревается и через определённое время (зависит от величины тока) размыкает цепь. Возникающая при размыкании дуга гасится в дугогасительной камере путём её растяжения, охлаждения и деионизации.

Характеристики

Основные параметры circuit breakers:

• Номинальный ток (In) — ток, который устройство может длительно пропускать без срабатывания (например, 16 А, 25 А, 63 А).
• Номинальное напряжение (Ue) — максимальное рабочее напряжение, при котором обеспечивается надёжное гашение дуги.
• Отключающая способность (Icu) — максимальный ток короткого замыкания, который устройство способно отключить без повреждения (например, 6 кА, 10 кА, 25 кА).
• Тип время-токовой характеристики — для бытовых модульных выключателей обозначается буквами B, C, D:
• B — отключение при 3–5-кратном превышении In (для цепей без пусковых токов — освещение).
• C — отключение при 5–10-кратном превышении In (для цепей с умеренными пусковыми токами — розетки, бытовая техника).
• D — отключение при 10–20-кратном превышении In (для цепей с высокими пусковыми токами — двигатели, трансформаторы).
• Количество полюсов — 1, 2, 3 или 4 в зависимости от фазности сети.

Применение

Circuit breakers используются во всех сферах, где требуется защита электрических цепей:

• Бытовые сети — в квартирных и домовых распределительных щитах для защиты освещения, розеток, электроплит, кондиционеров.
• Промышленные установки — для защиты электродвигателей, станков, сварочного оборудования, распределительных шкафов.
• Энергетика — на подстанциях и в распределительных устройствах для защиты линий электропередачи, трансформаторов, генераторов.
• Транспорт — в системах электропитания поездов, метро, трамваев, электромобилей.
• Альтернативная энергетика — в цепях солнечных панелей, ветрогенераторов, аккумуляторных систем.

Требования и стандарты

В России и странах ЕАЭС circuit breakers должны соответствовать требованиям:

• ГОСТ Р 50345-2010 (МЭК 60898-1) — для модульных автоматических выключателей бытового и аналогичного назначения.
• ГОСТ Р 50030.2-2010 (МЭК 60947-2) — для промышленных автоматических выключателей.
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС 004/2011) — обязательная сертификация.

Основные мировые стандарты: IEC 60898 (бытовые), IEC 60947 (промышленные), UL 489 (США).

Интересные факты

• Первый масляный автоматический выключатель был установлен в 1885 году на электростанции в Берлине.
• Современные вакуумные circuit breakers способны выдерживать до 10 000 циклов отключения без обслуживания.
• В бытовых сетях России и Европы наиболее распространены автоматы с характеристикой C, в США — с характеристикой B.
• Некоторые модели circuit breakers оснащаются функцией дистанционного отключения через Wi-Fi или Zigbee для «умного дома».

Источники

• ГОСТ Р 50345-2010 «Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения»
• ГОСТ Р 50030.2-2010 «Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 2. Автоматические выключатели»
• Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 004/2011 «О безопасности низковольтного оборудования»
• IEC 60898-1:2015 «Electrical accessories — Circuit-breakers for overcurrent protection for household and similar installations»
• IEC 60947-2:2016 «Low-voltage switchgear and controlgear — Part 2: Circuit-breakers»
• Справочник по электротехнике и электрооборудованию / под ред. В. Г. Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 2004.
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание.