Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель — это устройство, предназначенное для защиты электрических цепей от токов перегрузки, основанное на тепловом действии электрического тока. Является одним из основных компонентов автоматических выключателей, а также некоторых типов предохранителей и пускозащитной аппаратуры. Принцип действия теплового расцепителя основан на использовании биметаллической пластины, которая изгибается при нагреве и воздействует на механизм отключения цепи.

История

Первые устройства, использующие тепловой эффект для защиты электрических цепей, появились в конце XIX века. В 1880-х годах Томас Эдисон разработал предохранитель с плавкой вставкой, который срабатывал при превышении тока. Однако плавкие предохранители были одноразовыми и требовали замены. В 1920-х годах начали разрабатываться автоматические выключатели с тепловыми расцепителями, которые могли многократно использоваться после остывания биметаллической пластины. В СССР серийное производство автоматических выключателей с тепловыми расцепителями (например, серии АП-50) началось в 1950-х годах. Современные тепловые расцепители применяются в бытовых и промышленных автоматических выключателях, выпускаемых по стандартам МЭК (IEC) и ГОСТ.

Устройство и принцип действия

Основным элементом теплового расцепителя является биметаллическая пластина, состоящая из двух слоёв металлов с разными коэффициентами теплового расширения. Обычно используются сплавы на основе стали и инвара (сплава железа и никеля) или латуни и стали. Пластина жестко закреплена с одного конца, а другой конец свободен. При прохождении тока через пластину (или через нагревательный элемент, контактирующий с ней) она нагревается. Из-за разного расширения слоёв пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения.

При нормальном токе нагрузки изгиб незначителен. При перегрузке (токе, превышающем номинальный в 1,1–1,5 раза) пластина нагревается сильнее, изгибается и через систему рычагов воздействует на защёлку механизма автоматического выключателя, размыкая контакты. Время срабатывания зависит от величины тока: чем больше ток, тем быстрее нагревается пластина. При небольших перегрузках (например, 1,45 номинала) отключение может происходить в течение нескольких минут, при сильных (5–10 номиналов) — за доли секунды. Однако при токах короткого замыкания (десятки номиналов) тепловой расцепитель не успевает сработать из-за тепловой инерции, поэтому в автоматических выключателях он дополняется электромагнитным расцепителем.

Характеристики теплового расцепителя

Ключевые параметры теплового расцепителя:

• Номинальный ток (Iн) — ток, при котором расцепитель не срабатывает неограниченно долго (обычно при температуре окружающей среды 30 °C).
• Ток срабатывания — минимальный ток, при котором расцепитель гарантированно отключает цепь. Обычно составляет 1,1–1,45 Iн.
• Время-токовая характеристика — зависимость времени срабатывания от кратности тока. Для бытовых выключателей типов B, C, D тепловой расцепитель обеспечивает отключение при токах 1,13–1,45 Iн за время от 1 секунды до нескольких минут.
• Температурная компенсация — в современных расцепителях применяется дополнительная биметаллическая пластина или специальная конструкция, чтобы уменьшить зависимость температуры срабатывания от температуры окружающей среды. Без компенсации в жаркую погоду расцепитель может срабатывать при меньших токах, а в холодную — при больших.

Классификация

Тепловые расцепители классифицируются по нескольким признакам:

По конструкции

• С непосредственным нагревом — ток проходит непосредственно через биметаллическую пластину. Применяется в маломощных выключателях (до 63 А).
• С косвенным нагревом — ток проходит через отдельный нагревательный элемент (спираль или ленту), который передаёт тепло пластине. Используется в выключателях на большие токи (100 А и выше), где прямое включение пластины затруднено.
• Комбинированные — часть тока проходит через пластину, часть — через нагреватель. Встречаются в промышленных сериях.

По типу привода

• Механические — пластина непосредственно воздействует на защёлку.
• С усилителем — используется дополнительная пружина или рычаг для увеличения усилия отключения.

По области применения

• Бытовые — в автоматических выключателях для квартирных щитков (номиналы 6–63 А, тип B, C).
• Промышленные — в выключателях для распределительных устройств (номиналы до 6300 А, типы D, K, Z).
• Специальные — в пускозащитных реле для компрессоров холодильников, в тепловых реле для защиты электродвигателей (например, РТИ, РТЛ).

Применение

Тепловые расцепители используются в следующих устройствах:

• Автоматические выключатели — основной элемент защиты от перегрузок в бытовых и промышленных сетях. В России наиболее распространены выключатели серий ВА-47, ВА-88, ВА-99.
• Тепловые реле — отдельные устройства для защиты электродвигателей (например, ТРН, РТЛ, РТИ). Они устанавливаются в магнитных пускателях и срабатывают при перегрузке двигателя.
• Предохранители-выключатели — комбинированные устройства, где тепловой расцепитель заменяет плавкую вставку.
• Устройства защиты цепей освещения и сигнализации — в маломощных цепях постоянного и переменного тока.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Многократное использование (после остывания пластины расцепитель готов к работе).
• Плавная характеристика, позволяющая выдерживать кратковременные пусковые токи двигателей (например, до 7–10 Iн в течение 0,1–1 секунды).
• Относительно низкая стоимость по сравнению с электронными защитами.
• Не требует внешнего питания для срабатывания.

Недостатки:

• Зависимость времени срабатывания от температуры окружающей среды (даже при компенсации).
• Тепловая инерция — не может защитить от коротких замыканий (требуется электромагнитный расцепитель).
• Точность срабатывания ниже, чем у электронных устройств (допуск ±20% по току).
• После срабатывания требуется время на остывание (от 30 секунд до нескольких минут) для повторного включения.

Критика и ограничения

В современной электротехнике тепловые расцепители постепенно вытесняются электронными расцепителями в премиальных и промышленных сериях автоматических выключателей. Электронные расцепители обеспечивают более высокую точность (погрешность ±5%), возможность настройки тока срабатывания и времени задержки, а также функции сигнализации и дистанционного управления. Однако в массовом бытовом сегменте тепловые расцепители остаются доминирующими из-за простоты, надёжности и низкой цены. Основные нарекания связаны с невозможностью точной настройки под конкретную нагрузку (например, для защиты двигателей с большими пусковыми токами) и с ложными срабатываниями в жаркую погоду.

Интересные факты

• В СССР и России тепловые расцепители часто называли «тепловушками» или «биметаллическими расцепителями».
• В автоматических выключателях серии АЕ-20 (1960-е годы) тепловой расцепитель был выполнен в виде сменного модуля, что позволяло заменять его без разборки корпуса.
• Биметаллическая пластина теплового расцепителя может использоваться как индикатор температуры: по её изгибу можно судить о степени нагрева цепи.
• В некоторых конструкциях тепловых реле (например, РТЛ) биметаллическая пластина воздействует не на контакты, а на пружинный механизм, обеспечивающий более чёткое срабатывание.

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».
• Кацман М. М. «Электрические аппараты». — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Родштейн Л. А. «Электрические аппараты». — Л.: Энергоатомиздат, 1989.
• IEC 60947-2:2016 «Low-voltage switchgear and controlgear — Part 2: Circuit-breakers».