Устройство и принцип работы автоматического выключателя: полное руководство

Как устроен автоматический выключатель. Какие основные элементы входят в его конструкцию. По какому принципу работает автомат. Каковы преимущества и недостатки различных типов автоматических выключателей.

Содержание

Конструкция автоматического выключателя

Автоматический выключатель (автомат) — это коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от перегрузок и коротких замыканий. Рассмотрим основные элементы, входящие в конструкцию типичного модульного автомата:

Корпус из негорючей пластмассы
Входные и выходные клеммы для подключения проводов
Рычаг ручного управления
Механизм свободного расцепления
Дугогасительная камера
Электромагнитный расцепитель
Тепловой расцепитель
Неподвижный и подвижный контакты

Корпус автомата разделен на несколько изолированных отсеков, в которых размещаются функциональные элементы. Это обеспечивает безопасность и предотвращает распространение дуги при срабатывании.

Принцип работы автоматического выключателя

Работа автомата основана на контроле силы тока в защищаемой цепи. При превышении заданных параметров происходит быстрое размыкание контактов. Основные этапы работы:

В нормальном режиме ток протекает через замкнутые контакты автомата
При возникновении перегрузки или КЗ срабатывает электромагнитный или тепловой расцепитель
Расцепитель воздействует на механизм свободного расцепления
Контакты мгновенно размыкаются под действием пружины
Возникающая электрическая дуга гасится в дугогасительной камере
Цепь обесточивается, предотвращая аварийную ситуацию

Автомат может быть повторно включен вручную после устранения причины срабатывания.

Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя

Электромагнитный расцепитель обеспечивает мгновенное отключение при больших токах короткого замыкания. Как он устроен и работает?

Представляет собой электромагнит с подвижным сердечником
При превышении порогового тока сердечник втягивается
Сердечник воздействует на спусковой механизм автомата
Происходит мгновенное размыкание контактов

Время срабатывания электромагнитного расцепителя составляет доли секунды. Это позволяет быстро отключить цепь при опасных токах КЗ.

Тепловой расцепитель автоматического выключателя

Тепловой расцепитель защищает от длительных перегрузок. Его ключевые особенности:

Основной элемент — биметаллическая пластина
При нагреве током пластина изгибается
Изгиб воздействует на механизм расцепления
Время срабатывания зависит от величины перегрузки
Обеспечивает защиту с обратнозависимой выдержкой времени

Тепловой расцепитель позволяет автомату не реагировать на кратковременные перегрузки, но отключать цепь при длительном превышении номинального тока.

Дугогасительная камера автоматического выключателя

Дугогасительная камера — важный элемент конструкции автомата. Какие функции она выполняет?

Гашение электрической дуги при размыкании контактов
Предотвращение повреждения контактов
Локализация продуктов горения дуги
Снижение времени горения дуги

Камера содержит набор металлических пластин, между которыми растягивается и делится на части электрическая дуга. Это способствует ее быстрому гашению.

Преимущества и недостатки автоматических выключателей

Автоматические выключатели имеют ряд достоинств по сравнению с другими коммутационными аппаратами:

Быстрое отключение при коротких замыканиях
Защита от перегрузок с выдержкой времени
Возможность повторного включения
Высокая коммутационная износостойкость
Компактные размеры
Простота монтажа на DIN-рейку

К недостаткам можно отнести:

Ограниченный диапазон номинальных токов
Низкая устойчивость к ударным токам КЗ
Невозможность регулировки уставок в большинстве моделей

Несмотря на отдельные недостатки, автоматические выключатели остаются основным видом защитной аппаратуры в электроустановках до 1000 В.

Типы автоматических выключателей

Существует несколько основных типов автоматических выключателей, различающихся по конструкции и принципу действия:

Воздушные автоматические выключатели

Особенности воздушных автоматов:

Гашение дуги происходит в воздушной среде
Применяются в цепях до 1000 В
Имеют большие габариты
Обладают высокой отключающей способностью

Масляные автоматические выключатели

Ключевые характеристики масляных выключателей:

Дугогашение происходит в масле
Используются в высоковольтных сетях
Требуют периодического обслуживания
Пожароопасны из-за наличия горючего масла

Вакуумные автоматические выключатели

Преимущества вакуумных выключателей:

Высокая скорость отключения
Малый износ контактов
Компактные размеры
Бесшумность работы
Экологическая безопасность

Каждый тип автоматических выключателей имеет свою область применения в зависимости от условий эксплуатации и требований к защите.

Устройство и принцип работы автоматических выключателей – Справочник электрика

Акции

Все акции

Наши видео

Все видео

Новости 1 — 4 из 37
Начало | Пред. | 1 2 3 4 5 | След. | Конец

Самые популярные товары

Арт. 12-5808-1 Код товара: 60834

Комбинированные ключи

Отзывы

Ключ комбинированный трещоточный 13 мм, CrV, зеркальный хром

Арт. 01-3021 Код товара: 80274

Антенный кабель

Отзывы

Кабель RG-11U 75 Ом с тросом бухта 305 м черный REXANT

Арт. KR-92-0461 Код товара: 61159

Для шуруповертов и гайковертов

Отзывы

Набор насадок на шуруповерт Ph3, PZ2 с магнитным держателем 50 мм, ключ 8 мм, ключ 10 мм Kranz

Арт. 06-0617 Код товара: 50324

Отзывы

Винт DIN 967 М 8х25 мм REXANT

Арт. kr-90-0105 Код товара: 62892

Диски отрезные

Отзывы

Диск отрезной алмазный сегментный 230×22,2 мм Kranz

Все товары Низковольтное оборудование

Автоматический выключатель: устройство, принцип действия

Несмотря на многообразие типов автоматических выключателей (автоматов), многие работают по схожим принципам и построены на базе стандартного набора функциональных элементов. В связи с широким применением автоматов модульного типа (особенно, в бытовых и низковольтных электросетях), изучать работу автоматического выключателя резонно на их примере. В качестве подопытного образца будет выступать недорогого однополюсный автомат марки ДЭК типа ВА-101-1 C3.

Автомат модульного типа внешне представляет собой стандартизированный по габаритам аппарат в пластмассовом корпусе, имеющий две или более входных клемм (в зависимости от количества полюсов) для подключения питания с одной стороны (обычно, сверху) и подсоединения нагрузки с другой (снизу). На передней панели автомата находится рычаг управления, с помощью которого осуществляется включение и отключение автомата (нагрузки) вручную. По бокам корпуса имеются технологические отверстия для установки дополнительных устройств, например, контактов состояния автомата, независимого расцепителя и некоторых других. Сверху автомат имеет отверстия для доступа к регулировочному винту теплового расцепителя и выхода продуктов горения дугового разряда. Монтаж (крепление) модульного автомата в электрошкафу осуществляется на так называемую DIN-рейку – металлический или пластмассовый профиль определенной формы.

Крепление автомата на DIN-Рейку и снятие в неё.

Окна для подсоединений дополнительных устройств к автомату.

Автомат ДЭК. Вид сверху.
1 — отверстие выхода продуктов горения дуги; 2 — отверстие с регулировочным винтом теплового расцепителя.

В электрическую цепь автомат подключается последовательно — в разрыв цепи питания нагрузки (потребителей). Принцип действия автоматического выключателя состоит в контроле силы электрического тока через автомат и, в случае необходимости, разрыве цепи (отключении нагрузки) с той или иной скоростью (задержкой), начиная с момента превышения тока и в зависимости от «серьезности» (кратности) этого превышения.

Схема подключения однополюсного автомата в цепь питания лампы накаливания.

Корпус модульного автомата, в большинстве случаев, неразборный. Для его вскрытия, с целью изучения, потребуется удалить (высверлить и извлечь) все заклепки и разделить корпус на две части. Элементы корпуса выполнены из пластмассы, не поддерживающей горение, с достаточной (расчетной) электроизоляционной способностью. С внутренней стороны полукорпусов имеются пазы и направляющие для установки функциональных элементов автомата.

Процесс вскрытия автомата.

Автоматический выключатель ДЭК внутри.

Автомат полностью разобран.

Устройство автоматического выключателя с подписями его функциональных элементов.

Механизм взвода и расцепления – механическая система из пружин и рычажков, выполняющая две основные функции: удержание контактов в сомкнутом состоянии при штатном режиме работы, и, при возникновении аварийной ситуации, по командам расцепителей или оператора (ручное отключение) быстро отвести подвижный контакт от неподвижного.

Автомат включен, механизм взведен.

Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит с подвижным сердечником (якорем), который работает как толкатель. Когда ток через обмотку достигает определенного значения, якорь надавливает на рычажок спускового механизма, что приводит к его срабатыванию и отключению нагрузки. Число витков катушки и сечение обмоточной проволоки электромагнита рассчитано так, чтобы срабатывать только при относительно больших превышениях номинального тока автомата (например, при коротком замыкании), а так же чтобы выдерживать такие превышения неоднократно.

Нижняя клемма, катушка электромагнитного расцепителя и биметаллическая пластина соединены сваркой.

Якорь электромагнитного расцепителя в собранном (слева) и разобранном (справа) виде.

При движении якоря вниз в направлении красной стрелки, курок спускового механизма выходит из зацепления (красный кружок).

При движении якоря вниз, он увлекает за собой подвижный контакт, чем помогает механизму расцепления развести контакты.

Тепловой расцепитель – биметаллическая пластина, изгибающаяся в определенную сторону при нагреве в результате прохождения тока через специальный проводник повышенного сопротивления, намотанный поверх неё (биметаллическая пластина косвенного нагрева). При определенном угле изгиба пластины, её кончик надавливает на рычажок спискового механизма – автомат отключается. В отличие от электромагнитного расцепителя, тепловой расцепитель более медлителен и не способен срабатывать за доли секунды, однако, он более точен и поддается тонкой настройке.

При изгибании кончика биметаллической пластины в направлении красной стрелки, курок спускового механизма выходит из зацепления (красный кружок).

Дугогасительная камера, имеющаяся в устройстве автоматического выключателя, обеспечивает быстрое гашение дугового разряда, который может образовываться при размыкании контактов. Она представляет собой набор металлических пластин, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга. Попадая на пластины, дуга разделяется, завлекается внутрь дугогасительной камеры и тухнет. Продукты горения дуги и избыточное давление сбрасываются наружу через специальный канал в корпусе автомата.

Автоматический выключатель устроен и работает по принципу постоянного слежения за силой электрического тока, использует сразу два детектора-расцепителя: электромагнитный и тепловой. Первый обладает высокой скоростью реакции, которая необходима для защиты от быстрорастущих сверхтоков, вторая – точностью и определенной задержкой в срабатывании, что позволяет исключить ложные отключения нагрузки при кратковременном и небольшом превышении силы тока.

Что такое масляный выключатель? — Принцип действия, конструкция и техническое обслуживание

Масляный автоматический выключатель — это такой тип автоматического выключателя, в котором масло используется в качестве диэлектрика или изолирующей среды для гашения дуги. В масляном выключателе контакты выключателя разъединяются в изоляционном масле. При возникновении неисправности в системе контакты выключателя размыкаются под изоляционным маслом, между ними возникает дуга, и тепло дуги испаряется в окружающее масло. Масляный выключатель делится на две категории

Масляный автоматический выключатель
Автоматический выключатель низкого уровня масла

Конструкция масляного выключателя

Масляный выключатель очень прост в конструкции. Он состоит из токоведущих контактов, заключенных в прочный, непроницаемый для непогоды заземляющий металлический бак, который заполнен трансформаторным маслом. Масло действует как среда для гашения дуги и как изолятор между токоведущей частью и землей.

В верхней части масла в резервуар наполняется воздух, который действует как подушка для контроля вытеснения масла при образовании газа вокруг дуги, а также для поглощения механического удара восходящего движения масла. Бак выключателя надежно закреплен болтами для поглощения вибрации, возникающей при отключении очень высокого тока. Масляный выключатель состоит из газоотвода, установленного в крышке бака для отвода газов.

Принцип работы масляного выключателя

В нормальных условиях эксплуатации контакты масляного выключателя замкнуты и пропускают ток. При возникновении неисправности в системе контакты выключателя раздвигаются, и между контактами зажигается дуга.

Благодаря этой дуге выделяется большое количество тепла и достигается очень высокая температура, при которой окружающее масло испаряется в газ. Высвобожденный таким образом газ окружает дугу, и его взрывной рост вокруг нее сильно вытесняет масло. Дуга гаснет, когда расстояние между неподвижным и подвижным контактом достигает определенного критического значения, зависящего от тока дуги и восстанавливающегося напряжения.

Выключатель масляный очень надежен в эксплуатации и стоит очень дешево. Важнейшей особенностью масляного выключателя является то, что не используются специальные устройства для контроля дуги, вызванной подвижным контактом. Масло как средство гашения дуги имеет определенные преимущества и недостатки

Преимущества масла в качестве средства гашения дуги

Масло обладает высокой диэлектрической прочностью и обеспечивает изоляцию между контактами после гашения дуги.
Масло, используемое в автоматическом выключателе, обеспечивает небольшой зазор между проводниками и компонентами заземления.
В резервуаре образуется газообразный водород, который имеет высокую скорость диффузии и хорошие охлаждающие свойства.

Недостатки масла для гашения дуги

Масло, используемое в масляном выключателе, легко воспламеняется и, следовательно, создает опасность возгорания.
Существует риск образования взрывоопасной смеси с воздухом.
Из-за разложения масла в дуге образуются частицы углерода, которые загрязняют масло и, следовательно, диэлектрическая прочность масла снижается.

Техническое обслуживание масляного выключателя

После отключения автоматического выключателя током короткого замыкания иногда может произойти обгорание его контактов из-за искрения. Кроме того, диэлектрическое масло обугливается в области контактов, что приводит к потере диэлектрической прочности. Это приводит к снижению отключающей способности выключателя. Поэтому техническое обслуживание масляного выключателя необходимо для проверки и замены масла и контактов.

Что такое вакуумный выключатель? Конструкция, работа, преимущества, преимущества и применение вакуумного выключателя

Выключатель, в котором для гашения дуги используется вакуум, называется вакуумным выключателем. В этом выключателе неподвижный и подвижный контакты заключены в постоянно герметичный вакуумный прерыватель. Дуга гаснет, так как контакты разъединяются в высоком вакууме. Он в основном используется для среднего напряжения в диапазоне от 11 кВ до 33 кВ.

Вакуумный выключатель имеет высокую изоляционную среду для гашения дуги по сравнению с другим выключателем. Давление внутри вакуумного прерывателя составляет примерно 10 ^-4 поток и при таком давлении в прерывателе присутствует очень мало молекул. Вакуумный выключатель обладает главным образом двумя феноменальными свойствами.

Высокая изоляционная прочность: по сравнению с различными другими изоляционными средами, используемыми в автоматических выключателях, вакуум является превосходной диэлектрической средой. Это лучше, чем все другие среды, кроме воздуха и SF ₆, которые используются при высоком давлении.
При размыкании дуги раздвиганием контактов в вакууме происходит прерывание при первом нулевом токе. При обрыве дуги их диэлектрическая прочность увеличивается в тысячи раз по сравнению с другими выключателями.

Вышеуказанные два свойства делают гидромолоты более эффективными, менее громоздкими и дешевыми. Их срок службы также намного больше, чем у любого другого автоматического выключателя, и почти не требует обслуживания.

Конструкция вакуумного выключателя

Конструкция очень проста по сравнению с любым другим выключателем. Их конструкция в основном разделена на три части: фиксированные контакты, подвижный контакт и дугогасительный экран, расположенный внутри дугогасительной камеры.

Внешняя оболочка вакуумного выключателя изготовлена из стекла, так как стеклянная оболочка облегчает осмотр выключателя снаружи после его срабатывания. Если стекло становится молочным из-за его первоначальной отделки серебристым зеркалом, это указывает на то, что прерыватель теряет вакуум.

Неподвижные и подвижные контакты выключателя размещены внутри дугогасительного щитка. Давление в вакуумном прерывателе во время отпаивания поддерживается на уровне около 10 ^-6 торр. Подвижные контакты автоматического выключателя перемещаются на расстояние от 5 до 10 мм в зависимости от рабочего напряжения.

Металлический сильфон из нержавеющей стали используется для перемещения подвижных контактов. Конструкция металлического сильфона очень важна, поскольку срок службы вакуумного выключателя зависит от способности компонента удовлетворительно выполнять повторяющиеся операции.

Рабочий вакуумный выключатель

При возникновении неисправности в системе контакты выключателя раздвигаются и между ними возникает дуга. При раздвигании токоведущих контактов температура их соединительных частей очень высока, из-за чего происходит ионизация. За счет ионизации контактное пространство заполняется парами положительных ионов, которые выводятся из контактного материала.

Плотность пара зависит от тока дуги. Из-за убывающей моды волны тока их скорость выделения паров падает, и после обнуления тока среда восстанавливает свою диэлектрическую прочность при условии снижения плотности паров вокруг контактов. Таким образом, повторного возгорания дуги не происходит, так как пары металла быстро удаляются из зоны контакта.

Отключение тока в вакуумном выключателе

Отключение тока в вакуумном выключателе зависит от давления паров и свойств электронной эмиссии материала контакта. На уровень измельчения также влияет теплопроводность – чем ниже теплопроводность, тем ниже уровень измельчения.

Можно уменьшить уровень тока, при котором происходит прерывание, выбрав контактный материал, который выделяет достаточное количество паров металла, чтобы позволить току достичь очень низкого значения или нулевого значения, но это делается редко, так как это влияет на диэлектрик силы отрицательно.

Вакуумное дуговое восстановление вакуумного выключателя

Высокий вакуум обладает чрезвычайно высокой диэлектрической прочностью. При нулевом токе дуга гасится очень быстро, и диэлектрическая прочность устанавливается очень быстро. Это восстановление диэлектрической прочности связано с тем, что испаренный металл, локализованный между контактами, быстро диффундирует из-за отсутствия молекул газа. После отключения дуги сила восстановления в течение первых нескольких микросекунд составляет 1 кВ/мкс в секунду при токе дуги 100 А.

Благодаря вышеупомянутому свойству вакуумного выключателя он способен без труда справляться с тяжелыми переходными процессами восстановления, связанными с короткими замыканиями на линии.

Свойства материала контактов

Материал контактов вакуумного выключателя должен обладать следующими свойствами.

Материал должен иметь высокую электропроводность, чтобы пропускать обычные токи нагрузки без перегрева.
Материал контактов должен иметь низкое сопротивление и высокую плотность.
Материал должен обладать высокой теплопроводностью, чтобы быстро рассеивать большое количество тепла, выделяемого при дуговом разряде.
Материал должен обладать высокой устойчивостью к дуге и низким уровнем прерывания тока.

Преимущества вакуумного выключателя

Вакуумный выключатель не требует дополнительной заливки масла или газа. Они не нуждаются в периодической дозаправке.
Быстрое восстановление высокой диэлектрической прочности при прерываниях тока, при которых возникает только полпериода или меньше дугового разряда после надлежащего разъединения контактов.
компактен и автономен. Он может быть установлен в любой необходимой ориентации.
Из-за вышеуказанных причин, а также экономических преимуществ, вакуумный выключатель получил широкое признание.

Недостатки вакуумного выключателя

Требования высоких технологий производства вакуумных выключателей.
Требуются дополнительные ограничители перенапряжений для прерывания малых токов намагничивания в определенном диапазоне.
Потеря вакуума из-за повреждения или поломки при транспортировке делает весь прерыватель бесполезным, и его нельзя отремонтировать на месте.

Применение вакуумного выключателя

Из-за короткого зазора и отличного восстановления вакуумного выключателя они очень полезны в качестве высокоскоростных переключателей во многих промышленных приложениях.

Конструкция автоматического выключателя

Принцип работы автоматического выключателя

Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя

Тепловой расцепитель автоматического выключателя

Дугогасительная камера автоматического выключателя

Преимущества и недостатки автоматических выключателей