Автоматический выключатель описание. Автоматические выключатели: устройство, принцип работы и применение в электрических сетях

Теперь, чтобы понять, как работает автоматический выключатель, давайте сначала посмотрим на поперечное сечение устройства, на котором показаны основные части и конструкция автоматического выключателя.

Основной автоматический выключатель состоит из:

1) клеммы

2) неподвижный контакт

3) защелка

4) простой переключатель

5) электромагнит (медная катушка)

6) (и/или) биметаллическая полоса

7) другая клемма

3

3

Принципы отключения автоматического выключателя

Этот автоматический выключатель имеет два различных принципа отключения для защиты цепи: Томас Эдисон!)

– исполнение защиты по принципу электромагнита , от короткого замыкания.

Давайте посмотрим, как они работают:

Когда автоматический выключатель находится во включенном положении, ток может течь от нижней клеммы через биметаллическую пластину к катушке электромагнита , к подвижному контакту , через стационарный контакт и выход на верхнюю клемму.

В этом термомагнитном автоматическом выключателе тепловая и электромагнитная защита работают параллельно по принципу, аналогичному перемещению коммутационной тяги.

Тепловая защита: биметаллическая пластина нагревается от тока.

Если ток в цепи превысит определенный уровень, полоска будет изгибаться, перемещая рычажный механизм переключателя и, следовательно, подвижный контакт, разрывая его соединение с неподвижным контактом, вызывая разрыв цепи.

Параллельно с медной катушкой идет электромагнитная защита.

Электромагнит намагничивается, когда электричество проходит через клеммы. Чем больше ток, тем больше электромагнитная сила.

Когда ток достигает небезопасного уровня при прохождении через эту катушку, электромагнит становится достаточно сильным, чтобы сдвинуть внутри нее небольшую катушку, которая также сдвинет рычажный механизм переключателя, подвижный контакт, тем самым разорвав цепь.

В отличие от предохранителей, после устранения проблем, вызвавших срабатывание автоматического выключателя, вы можете переключить его обратно во включенное положение, и ваша цепь снова будет защищена.

На рынке представлено множество современных автоматических выключателей. Они могут быть гораздо более точными и могут двигаться на гораздо более высоких скоростях, однако они также намного дороже!

Подводя итог тому, что мы сегодня узнали:

– Автоматический выключатель – это защитное устройство. Его основная функция заключается в прерывании тока в условиях отказа или перегрузки, предотвращая серьезные повреждения.

— Автоматические выключатели, используемые в энергосистемах, бывают различных типов и размеров для различных применений, от жилых до крупных коммунальных и промышленных систем.

Миниатюрный автоматический выключатель содержит тепловую защиту, которая приведет к разрыву цепи в случае перегрева, и электромагнитную защиту из-за короткого замыкания.

– Автоматические выключатели являются важными устройствами в современном мире и важным элементом безопасности для вашего дома и многих других коммунальных и промышленных приложений!

Основные определения — Автоматический выключатель

Автоматический выключатель — это автоматический электрический выключатель, предназначенный для защиты электрической цепи от повреждений, вызванных перегрузкой или коротким замыканием. Его основная функция заключается в обнаружении неисправности и, прерывая непрерывность, немедленно прекращает подачу электроэнергии. В отличие от предохранителя, который срабатывает один раз, а затем его необходимо заменить, автоматический выключатель можно сбросить (вручную или автоматически) для возобновления нормальной работы. Автоматические выключатели изготавливаются различных размеров: от небольших устройств, защищающих отдельный бытовой прибор, до крупных распределительных устройств, предназначенных для защиты высоковольтных цепей, питающих целый город.

Происхождение

Ранняя форма автоматического выключателя была описана Томасом Эдисоном в патентной заявке 1879 года, хотя в его коммерческой системе распределения электроэнергии использовались предохранители. Его назначение заключалось в защите проводки цепей освещения от случайных коротких замыканий и перегрузок.

Эксплуатация

Все автоматические выключатели имеют общие характеристики в своей работе, хотя детали существенно различаются в зависимости от класса напряжения, номинального тока и типа автоматического выключателя.

Автоматический выключатель должен обнаружить неисправность; в низковольтных автоматических выключателях это обычно делается внутри корпуса выключателя. Автоматические выключатели для больших токов или высокого напряжения обычно снабжены контрольными устройствами для обнаружения тока короткого замыкания и управления механизмом размыкания. Соленоид отключения, который освобождает защелку, обычно питается от отдельной батареи, хотя некоторые высоковольтные автоматические выключатели являются автономными с трансформаторами тока, реле защиты и внутренним источником питания управления.

При обнаружении неисправности контакты внутри автоматического выключателя должны разомкнуться, чтобы разорвать цепь; некоторая механически накопленная энергия (с использованием чего-то, например, пружин или сжатого воздуха), содержащаяся в выключателе, используется для разъединения контактов, хотя часть необходимой энергии может быть получена из самого тока короткого замыкания. Небольшие автоматические выключатели могут управляться вручную; более крупные устройства имеют соленоиды для отключения механизма и электродвигатели для восстановления энергии пружин.

Контакты выключателя должны выдерживать ток нагрузки без чрезмерного нагрева, а также должны выдерживать тепло дуги, возникающей при разрыве цепи. Контакты изготавливаются из меди или медных сплавов, сплавов серебра и других материалов. Срок службы контактов ограничен эрозией из-за прерывания дуги. Миниатюрные автоматические выключатели и автоматические выключатели в литом корпусе обычно выбрасываются при износе контактов, но силовые автоматические выключатели и высоковольтные автоматические выключатели имеют сменные контакты.

При прерывании тока возникает дуга. Эта дуга должна удерживаться, охлаждаться и гаситься контролируемым образом, чтобы зазор между контактами снова мог выдерживать напряжение в цепи. Различные автоматические выключатели используют вакуум, воздух, изолирующий газ или масло в качестве среды, в которой образуется дуга. Для гашения дуги используются различные методы, в том числе:

• Удлинение дуги
• Интенсивное охлаждение (в струйных камерах)
• Разделение на частичные дуги
• Гашение нулевой точки (Контакты размыкаются при пересечении сигнала переменного тока во время нулевого тока, эффективно прерывая ток холостого хода во время размыкания. Переход через ноль происходит при удвоенной частоте сети, т. е. 100 раз в секунду для 50 Гц переменного тока и 120 раз в секунду). секунда для 60 Гц переменного тока)
• Соединение конденсаторов параллельно контактам в цепях постоянного тока

Наконец, когда неисправность устранена, контакты должны снова замкнуться, чтобы восстановить питание прерванной цепи.

Отключение дуги

Миниатюрные низковольтные автоматические выключатели используют только воздух для гашения дуги. У более высоких номиналов будут металлические пластины или неметаллические дугогасительные камеры для разделения и охлаждения дуги. Магнитные дугогасительные катушки отклоняют дугу в дугогасительную камеру.

В масляных выключателях более высоких номиналов используется испарение части масла для подачи струи масла через дугу.

Газовые (обычно гексафторид серы) автоматические выключатели иногда растягивают дугу с помощью магнитного поля, а затем полагаются на диэлектрическую прочность гексафторида серы (SF6) для гашения растянутой дуги.

Вакуумные автоматические выключатели имеют минимальное искрение (поскольку нечего ионизировать, кроме контактного материала), поэтому дуга гасится при очень небольшом растяжении (<2–3 мм). Вакуумные выключатели часто используются в современных распределительных устройствах среднего напряжения до 35 000 вольт.

Воздушные автоматические выключатели могут использовать сжатый воздух для гашения дуги или, альтернативно, контакты быстро поворачиваются в небольшую герметичную камеру, высвобождая вытесненный воздух, таким образом гася дугу.

Автоматические выключатели обычно способны отключать весь ток очень быстро: обычно дуга гаснет через 30–150 мс после срабатывания механизма, в зависимости от возраста и конструкции устройства.

Ток короткого замыкания

Автоматические выключатели рассчитаны как по ожидаемому нормальному току, так и по максимальному току короткого замыкания, который они могут безопасно отключить.

В условиях короткого замыкания может существовать ток, во много раз превышающий нормальный (см. максимальный ожидаемый ток короткого замыкания). Когда электрические контакты размыкаются, чтобы прервать большой ток, существует тенденция к образованию дуги между разомкнутыми контактами, что позволяет току продолжаться. Следовательно, автоматические выключатели должны иметь различные функции для разделения и гашения дуги.

В выключателях с воздушной изоляцией и миниатюрных выключателях конструкция дугогасительной камеры, состоящая (часто) из металлических пластин или керамических выступов, охлаждает дугу, а магнитные дугогасительные катушки отклоняют дугу в дугогасительную камеру. В более крупных автоматических выключателях, таких как те, которые используются в распределении электроэнергии, может использоваться вакуум, инертный газ, такой как гексафторид серы, или контакты, погруженные в масло, для подавления дуги.

Максимальный ток короткого замыкания, который может отключить выключатель, определяется путем испытаний. Применение выключателя в цепи с предполагаемым током короткого замыкания выше номинальной отключающей способности выключателя может привести к тому, что выключатель не сможет безопасно отключить неисправность. В худшем случае автоматический выключатель может успешно прервать неисправность, но при сбросе взорвется.

Миниатюрные автоматические выключатели, используемые для защиты цепей управления или небольших электроприборов, могут не иметь достаточной отключающей способности для использования на щите; эти автоматические выключатели называются «дополнительными устройствами защиты цепи», чтобы отличать их от автоматических выключателей распределительного типа.

Номинальные значения стандартного тока

Международный стандарт IEC 60898-1 и европейский стандарт EN 60898-1 определяют номинальный ток In автоматического выключателя для низковольтных распределительных устройств как ток, на который выключатель рассчитан в непрерывном режиме (при температуре окружающего воздуха). температура 30°С). Общедоступные предпочтительные значения номинального тока: 6 А, 10 А, 13 А, 16 А, 20 А, 25 А, 32 А, 40 А, 50 А, 63 А, 80 А и 100 А (серия Renard, слегка изменено, чтобы включить текущее ограничение британских розеток BS 1363). На автоматическом выключателе указан номинальный ток в амперах, но без обозначения единицы измерения «А». Вместо этого перед цифрой в амперах ставится буква «В», «С» или «D», которая указывает мгновенный ток отключения, то есть минимальное значение тока, при котором автоматический выключатель отключается без преднамеренной задержки по времени (т. е. менее чем за 100 мс), выраженное в единицах In:

Тип	Мгновенный ток отключения
Б	свыше 3 In до 5 In включительно
С	свыше 5 In до 10 In включительно
Д	свыше 10 In до 20 In включительно
К	выше 8 In до 12 In включительно Для защиты нагрузок, вызывающих частые кратковременные (примерно от 400 мс до 2 с) пики тока при нормальной работе.
З	выше 2 In до 3 In включительно в течение периодов порядка десятков секунд. Для защиты таких нагрузок, как полупроводниковые приборы или измерительные цепи, использующие трансформаторы тока.

Типы автоматических выключателей

Можно составить множество различных классификаций автоматических выключателей на основе их характеристик, таких как класс напряжения, тип конструкции, тип прерывания и конструктивные особенности.

Автоматические выключатели низкого напряжения

Низковольтные (менее 1000 В переменного тока) типы распространены в бытовом, коммерческом и промышленном применении, включая:

• MCB (миниатюрный автоматический выключатель) — номинальный ток не более 100 А. Характеристики отключения обычно не регулируются. Термический или термомагнитный режим. Выключатели, показанные выше, относятся к этой категории.

• MCCB (автоматический выключатель в литом корпусе) — номинальный ток до 2500 А. Тепловой или термомагнитный режим работы. Ток срабатывания может регулироваться для больших номиналов.

• Силовые автоматические выключатели низкого напряжения могут устанавливаться многоярусно в распределительных щитах или шкафах распределительных устройств низкого напряжения.

Характеристики низковольтных автоматических выключателей приведены в соответствии с международными стандартами, такими как IEC 947. Эти автоматические выключатели часто устанавливаются в выдвижных корпусах, что позволяет снимать и заменять их без демонтажа распределительного устройства.

Крупногабаритные низковольтные выключатели в литом корпусе и силовые автоматические выключатели могут иметь электрические моторные приводы, позволяющие отключать (размыкать) и включать их дистанционно. Они могут быть частью системы автоматического переключения резервного питания.

Низковольтные автоматические выключатели также изготавливаются для приложений постоянного тока (DC), например, DC для линий метро. Для постоянного тока требуются специальные выключатели, потому что дуга не имеет естественной тенденции гаснуть в каждом полупериоде, как для переменного тока. Автоматический выключатель постоянного тока будет иметь дугогасительные катушки, которые генерируют магнитное поле, которое быстро растягивает дугу при отключении постоянного тока.

Малые автоматические выключатели либо устанавливаются непосредственно в оборудование, либо размещаются в панели выключателей.

Термомагнитный миниатюрный автоматический выключатель на DIN-рейку на 10 ампер является наиболее распространенным типом в современных бытовых потребительских устройствах и коммерческих электрических распределительных щитах по всей Европе. В конструкцию входят следующие компоненты:

1. Рычаг привода – используется для ручного отключения и сброса автоматического выключателя. Также указывает состояние автоматического выключателя (включен или выключен/сработал). Большинство автоматических выключателей сконструированы таким образом, что они могут срабатывать, даже если рычаг удерживается или блокируется в положении «включено». Это иногда называют «свободным отключением» или «положительным отключением».
2. Приводной механизм – сближает или раздвигает контакты.
3. Контакты – пропускают ток при прикосновении и прерывают ток при раздвигании.
4. Клеммы
5. Биметаллическая полоса
6. Калибровочный винт – позволяет производителю точно настроить ток срабатывания устройства после сборки.
7. Соленоид
8. Дугогаситель/разделитель дуги

Магнитный автоматический выключатель

Магнитные автоматические выключатели используют соленоид (электромагнит), сила тяги которого увеличивается с ростом тока. Некоторые конструкции используют электромагнитные силы в дополнение к силам соленоида. Контакты выключателя замыкаются защелкой. Когда ток в соленоиде превышает номинал автоматического выключателя, усилие соленоида освобождает защелку, которая затем позволяет контактам размыкаться под действием пружины. Некоторые типы магнитных прерывателей включают функцию гидравлической задержки времени, использующую вязкую жидкость. Сердечник удерживается пружиной до тех пор, пока ток не превысит номинал выключателя. Во время перегрузки скорость движения соленоида ограничивается жидкостью. Задержка допускает кратковременные скачки тока сверх нормального рабочего тока для запуска двигателя, включения оборудования и т. д. Токи короткого замыкания обеспечивают достаточную силу соленоида для освобождения защелки независимо от положения сердечника, таким образом, обходя функцию задержки. Температура окружающей среды влияет на выдержку времени, но не влияет на номинальный ток магнитного выключателя.

Термомагнитный автоматический выключатель

Термомагнитный автоматический выключатель, который используется в большинстве распределительных щитов, сочетает в себе обе технологии: электромагнит мгновенно реагирует на большие скачки тока (короткие замыкания), а биметаллическая пластина реагирует на менее экстремальные, но более длительные -временные перегрузки по току.

Общие расцепляющие выключатели

При питании ответвленной цепи с более чем одним токоведущим проводом каждый токоведущий проводник должен быть защищен полюсом выключателя. Чтобы гарантировать, что все проводники под напряжением будут разомкнуты при отключении любого полюса, необходимо использовать выключатель «общего отключения». Они могут либо содержать два или три механизма отключения в одном корпусе, либо для небольших выключателей могут внешне связывать полюса вместе с помощью рукояток управления. Двухполюсные общие размыкающие выключатели распространены в системах на 120/240 В, где нагрузки на 240 В (включая основные приборы или дополнительные распределительные щиты) охватывают два провода под напряжением. Трехполюсные выключатели с общим расцепителем обычно используются для подачи трехфазной электроэнергии на большие двигатели или другие распределительные щиты.

Двух- и четырехполюсные выключатели используются, когда необходимо отключить нейтральный провод, чтобы убедиться, что через нейтральный провод не может течь ток от других нагрузок, подключенных к той же сети, когда людям необходимо прикоснуться к проводам для обслуживания . Ни в коем случае нельзя использовать отдельные автоматические выключатели для отключения под напряжением и нейтрали, поскольку при отключении нейтрали при подсоединенном проводнике под напряжением возникает опасное состояние: цепь окажется обесточенной (приборы не будут работать), но провода останутся под напряжением. и УЗО не сработают, если кто-то коснется провода под напряжением (поскольку для срабатывания УЗО требуется питание). Поэтому, когда требуется переключение нейтрального провода, следует использовать только обычные автоматические выключатели.

Автоматические выключатели среднего напряжения

Автоматические выключатели среднего напряжения на номинальное напряжение от 1 до 72 кВ могут быть собраны в группы распределительных устройств в металлическом корпусе для использования внутри помещений или могут быть отдельными компонентами, установленными снаружи на подстанции. Воздушные автоматические выключатели заменили маслонаполненные блоки для внутреннего применения, но теперь сами заменяются вакуумными автоматическими выключателями (примерно до 35 кВ). Подобно высоковольтным автоматическим выключателям, описанным ниже, они также управляются защитными реле с датчиками тока, управляемыми через трансформаторы тока. Характеристики автоматических выключателей среднего напряжения определяются международными стандартами, такими как IEC 62271. В автоматических выключателях среднего напряжения почти всегда используются отдельные датчики тока и реле защиты вместо встроенных тепловых или магнитных датчиков максимального тока.

Автоматические выключатели среднего напряжения можно классифицировать по среде, используемой для гашения дуги:

• Вакуумный автоматический выключатель — с номинальным током до 3000 А эти выключатели прерывают ток, создавая и гася дугу в вакуумном контейнере. Обычно они применяются для напряжений примерно до 35 000 В, что примерно соответствует диапазону среднего напряжения энергосистем. Вакуумные автоматические выключатели, как правило, имеют более длительный срок службы между капитальными ремонтами, чем воздушные автоматические выключатели.

• Воздушный автоматический выключатель — номинальный ток до 10 000 А. Характеристики срабатывания часто полностью настраиваются, включая настраиваемые пороги срабатывания и задержки. Обычно с электронным управлением, хотя некоторые модели управляются микропроцессором через встроенный электронный расцепитель. Часто используются для основного распределения электроэнергии на крупных промышленных предприятиях, где выключатели расположены в выдвижных корпусах для простоты обслуживания.

• Элегазовые выключатели гасят дугу в камере, заполненной гексафторидом серы.

Автоматические выключатели среднего напряжения могут быть подключены к цепи болтовыми соединениями с шинами или проводами, особенно на открытых распределительных устройствах. Автоматические выключатели среднего напряжения в составе распределительных устройств часто имеют выдвижную конструкцию, что позволяет снимать выключатель, не нарушая соединения силовой цепи, с помощью моторизованного или ручного механизма для отделения выключателя от корпуса.

Высоковольтные выключатели

Сети электропередачи защищаются и контролируются высоковольтными выключателями. Определение высокого напряжения варьируется, но в работе по передаче электроэнергии обычно считается, что оно составляет 72,5 кВ или выше, согласно недавнему определению Международной электротехнической комиссии (МЭК). Высоковольтные выключатели почти всегда приводятся в действие соленоидами, а защитные реле с датчиками тока работают через трансформаторы тока. На подстанциях схема релейной защиты может быть сложной, защищая оборудование и шины от различных видов перегрузок или замыканий на землю.

Высоковольтные выключатели широко классифицируются по среде, используемой для гашения дуги.

• Масло наливом
• Минимум масла
• Воздушный взрыв
• Вакуум
• SF6

Некоторые производители: ABB, GE (General Electric), AREVA, Mitsubishi Electric, Pennsylvania Breaker, Siemens, Toshiba, Kon?ar HVS, BHEL, CGL.

Из соображений защиты окружающей среды и затрат на изоляцию разливов нефти в большинстве новых автоматических выключателей для гашения дуги используется элегаз.

Автоматические выключатели могут быть классифицированы как баковые, если корпус, в котором находится механизм отключения, находится под потенциалом сети, или баковые, корпус которых находится под потенциалом земли. Обычно доступны высоковольтные автоматические выключатели переменного тока с номинальным напряжением до 765 кВ. Выключатели на 1200 кВ, скорее всего, появятся на рынке очень скоро.

Высоковольтные автоматические выключатели, используемые в системах электропередачи, могут быть устроены так, чтобы обеспечить отключение одного полюса трехфазной линии вместо отключения всех трех полюсов; для некоторых классов отказов это повышает стабильность и доступность системы.

Высоковольтные автоматические выключатели с гексафторидом серы (SF6)

В выключателе с гексафторидом серы для гашения дуги используются контакты, окруженные газообразным гексафторидом серы. Они чаще всего используются для напряжения на уровне передачи и могут быть встроены в компактные распределительные устройства с элегазовой изоляцией. В холодном климате может потребоваться дополнительный нагрев или снижение номинальных характеристик автоматических выключателей из-за сжижения элегаза.

Прочие выключатели

Следующие типы выключателей описаны в отдельных статьях.

• Выключатели для защиты от замыканий на землю слишком малы, чтобы отключить устройство максимального тока:
  • Устройство защитного отключения (УЗО, ранее известное как устройство защитного отключения) — обнаруживает асимметрию тока, но не обеспечивает защиту от перегрузки по току.
  • Устройство защитного отключения с защитой от перегрузки по току (ВДТ) — сочетает в себе функции УЗО и МСВ в одном корпусе. В Соединенных Штатах и ​​​​Канаде монтируемые на панели устройства, которые сочетают в себе обнаружение замыкания на землю (землю) и защиту от перегрузки по току, называются прерывателями цепи замыкания на землю (GFCI); настенное розеточное устройство, обеспечивающее только обнаружение замыкания на землю, называется GFI.
  • Прерыватель цепи утечки на землю (ELCB) — определяет ток утечки напрямую, а не дисбаланс. Они больше не встречаются в новых установках по разным причинам.
• Автоматическое повторное включение — тип автоматического выключателя, который снова замыкается после задержки.