Автоматические выключатели

Назначение

Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для защиты электрических цепей от короткого замыкания, изменения напря­жения, перегрузок и других нарушениях режима работы цепи, а также для ручного отключения и включения линий и потребителей энергии.

Включают цепь автоматитеским выключателем вручную, а отключать ее могут как вручную, так и автоматически, в результате срабатывания вмонтированного в корпус расцепителя. Последний представляет собой блок, встроенный в корпус выключателя и предназначенный для отклю­чения выключателя под действием тока, превышающего ток настройки.

Во всех автоматах расцепляющее устройство конструируют так, что исключается возможность удерживания контактов выключателя во включенном положении (кнопкой, рукояткой или дистанционным при­водом) при отклонении от режима работы в защищаемой цепи. Быстрота отключения не зависит от оператора, а определяется исключительно конструкцией расцепителя.

Преимущества автоматов перед плавкими предохранителями

Во-первых, срабатывают надежнее, чем плавкие предохранители.

Во-вторых, при защите трехфазного устройства устраняется возмож­ность его работы в неполнофазном режиме, так как при перегрузках и коротких замыканиях отключаются сразу же все три фазы.

В-третьих, значительно снижаются простои электрооборудования из-за того, что на включение сработавшего автомата требуется меньше времени, чем на замену перегоревшего предохранителя.

Основные требования к автоматическим выключателям

Во всех автоматах главная контактная система должна:

♦ обеспечивать, не перегреваясь и не окисляясь, продолжительный режим работы при номинальной силе тока;

♦ не повреждаясь, отключать цепь при токах короткого замыкания.

Виды применяемых расцепителей

Конструкции автоматических выключателей различаются расцепите- лями — встроенными устройствами в виде защитных реле для дистанци­онного отключения.

Автоматы с тепловыми расцепителями предназначены для защиты от перегрузок. В качестве теплового расцепителя служит биметаллическая пластинка. При прохождении по ней тока перегрузки она изгибается и приводит в действие расцепляющий механизм, отключающий автомат. Тепловые расцепители отключают цепь в зависимости от длительности и силы тока, превышающего уставку теплового расцепителя.

Совет.

Силу тока уставки теплового расцепителя выбирают равной 125—150% от значения длительной силы тока максимально допустимой нагрузки.

Автоматы с электромагнитным расцепителем служат для защиты от коротких замыканий. Автомат с электромагнитным расцепителем в каж­дой фазе имеет электромагнитное реле максимального тока, состоящее из катушки, сердечника и пружины. Ток короткого замыкания, проходя по катушке, содействует втягиванию внутрь ее сердечника, который сжимает пружину и приводит в действие расцепляющее устройство. Такое отключение называют отсечкой. Электромагнитные расцепители срабатывают практически мгновенно (за 0,02 с).

Совет.

Силу тока уставки электромагнитного расцепителя выби­рают на 20—30% выше наибольшей силы тока кратковремен­ной перегрузки, возможной, например, при пуске электрических двигателей.

Автоматы с комбинированным расцепителем имеют как тепловой, так и электромагнитный расцепители. При наличии комбинированного расце­пителя выключатель мгновенно срабатывает при сверхтоках и с выдержкой времени от перегрузок, определяемой тепловым расцепителем.

Расцепитель минимального напряжения срабатывает при снижениях напряжения до 70—30% номинального.

Для выключателя данной величины может быть несколько расцепи­телей, имеющих свои разные номинальные токи, которые могут регули- роваться. Установка на ток мгновенного срабатывания, или ток отсечки, означает, что при данном токе срабатывает электромагнитный расцепи- тель данного выключателя.

Предельная коммутационная способность означает предельный ток, который может отключить выключатель.

Кроме того, автоматические выключатели разных серий и типов раз­личают по следующим признакам:

♦ вид тока (переменный, постоянный);

♦ напряжение и номинальная сила тока автомата;

♦ количество полюсов (1,2 и 3);

♦ номинальная сила тока расцепителей.

Сокращенные обозначения расцепителей

Т — только тепловой. •

М — только электромагнитный.

МТ — комбинированный, т. е. тепловой и электромагнитный вместе.

Основные типы применяемых автоматических выключателей

Автоматические выключатели можно разделить на две группы:

Рис. 5.14. Общий вид автоматического резьбового предохранителя типа ПАР-6,3

♦ Автоматы без регулировки силы тока уставки тепловых расцепителей. К не­регулируемым автоматам относятся выключатели серий А3100, АЕ1000,

АЕ2000, АК63, АБ25.

♦ Автоматы с регулировкой силы тока уставки расцепителей. К ним относят­ся выключатели серий АП50, А3700,

АВ, АВМ. Конструкции некоторых серий этих автоматов весьма сложны.

Есть, например, автоматы с часовым механизмом, с электродвигательным приводом для включения, с гидравли­ческим замедлителем отключения рас- цепителя.

Выбор типа автоматического выключателя

При выборе автомата исходят из того, что его номинальное напря­жение должно быть выше или равно номинальному напряжению сети. Определяют также с помощью расчетов максимальную силу тока корот­кого замыкания в зоне защиты и предельно допустимую силу тока авто­матического выключателя выбирают больше этой величины.

Номинальная сила тока расцепителя, кроме того, должна быть несколько больше значения силы тока длительной максимальной нагрузки, иначе автомат будет отключать цепь не только при откло­нении силы тока от своего заданного значения, но и при нормальном режиме работы.

Кроме всего этого, необходимо обеспечить избирательность (селек­тивность) действия автомата: он должен отключать защищаемый объ­ект раньше, чем другие аппараты защиты, расположенные ближе к источнику питания, отключат всю группу потребителей.

В домах в зависимости от используемой сети применяются либо трехполюсные, либо однополюсные автоматические выключатели. Трехполюсные служат для защиты электроприемников трехфазного тока, например, двигателей насосов водоснабжения, теплоснабжения и лифтов. Каждый полюс трехполюсного автоматического выключателя вводится в фазный провод сети. При срабатывании автоматического выключателя одновременно отключаются все три фазы. Однополюсные автоматиче­ские выключатели вводятся в фазные провода осветительных сетей.

Расчет характеристик автоматического выключателя

Во-первых, определим токи уставки теплового и электромагнитного расцепителей. Напомню, что тепловой расцепитель автомата защищает электроустановку от длительной перегрузки по току. Ток уставки тепло­вого расцепителя принимается на 15—20% больше рабочего тока:

1_Т, = (1,15—1,2) ■ I» где 1_Р — рабочий ток электроустановки, А.

Электромагнитный расцепитель автомата защищает электроуста­новку от коротких замыканий. Ток уставки электромагнитного расцепи­теля определяется из следующих соображений: автомат не должен сра­батывать от пусковых токов двигателя электроустановки іпускдв, сраба­тывания электромагнитного расцепителя 1_ЭМр выбирается кратным току срабатывания теплового расцепителя:

1эмр ⁼ К ■ ІТР,

где К = 4,5—10 — коэффициент кратности тока срабатывания электро­магнитного расцепителя.

Во-вторых, выбранный автоматический выключатель проверяется по отключающей способности.

Автоматы с номинальным током до 100 А должны срабатывать при условии:

1эмр ⁼ К- ' 1(3 КЗ) где ІО.К.З. — ток однофазного короткого замыкания.

Автоматы с номинальным током более 100 А должны срабатывать при:

І9МР ⁼ 1)26 ^- ІОК.З ■

В-третьих, выбранный автоматический выключатель проверяется по чувствительности.

Чувствительность автомата, имеющего только тепловой расцепитель, определяется соотношением:

1т.Р ⁼ 3 • ІО.КЗ -

Отключающая способность автомата с электромагнитным расцепи­телем определяется величиной тока трехфазного короткого замыкания:

ІЗМРОТКлІ 1)26 • ІТХЗ-

Области применения автоматов различных типов

В осветительных сетях наиболее часто применяются:

♦ резьбовые автоматические выключатели типа ПАР на 6,3 А; 10 А и 16 А 250 В (рис.

♦ автоматические выключатели АЕ10 на 16 А; 25 А 250 В (рис. 5.15).

Автоматы, предназначенные для защиты квартирных групповых

сетей от перегрузок и коротких замыканий, имеют наиболее простое устройство.

Для защиты трехфазных электрических сетей применяют трехфазные автоматические выключатели серий АЕ20, АП50Б и др. с номиналь­ными токами на 6,3; 10; 16; 25 и 40 А.

В

Выключатель АК63 разработан с целью замены выключателя АП50, имеющего малую коммутационную способность. Выключатель имеет расцепители максимального тока на 0,63—63 А, 500 В переменного и 220 В посто­янного напряжения, его коммутационная спо­собность в 2,5 раза больше, чем у выключа- „ „

, ^{r J} Рис. 5.15. Автоматический

теля АП50. В отличие от выключателей АП50 выключатель типа АЕ1 о

выключатели АК63 имеют открытые выводы, для закрывания которых могут поставляться крышки. Открытые выводы, не соприкасаю­щиеся с корпусом выключателя, имеют лучший теплоотвод, а при нагреве выводов не проис­ходит выгорания корпуса выключателя.

РИС. 5.16. Однофазный Д™ защиты участков сетей жилых и обще-

автоматический ственных зданий предназначены выключатели

выключатель типа АЕ1 ооо серии АЕ1000 (рис. 5.16). Они являются одно­

полюсными с расцепителями тепловыми, электромагнитными или ком­бинированными на токи 6; 10 и 16 А.

Для защиты участков с большим током (например, от перегрузок и токов короткого замыкания асинхронных двигателей с короткозамкну­тым ротором) применяются автоматические выключатели АЕ2000. Они разрабатывались с целью замены всех других выключателей на ток до 100 А. Они имеют величины на 25, 63 и 100 А с расцепителями макси­мального тока на 0,6 А и выше, тепловыми и комбинированными расце­пителями. Их применяют во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Для защиты электрических установок от перегрузок и коротких замы­каний (особенно изолированных проводов и кабелей от недопустимого нагревания в этих режимах), а также для нечастых коммутаций силовых электрических цепей служат автоматы серии А3100 (рис.

Области применения других типов автоматов указаны в специализи­рованных справочниках.

Отключено

автоматически

^ Включено

л;"¹

I*I/ г*

Принцип действия автоматического выключателя серии ПАР

Теперь рассмотрим детально принцип действия основных типов авто­матических выключателей. На корпусе выключателя написаны номи­нальные данные:

♦ предельное напряжение сети, в которой может применяться ПАР, например, 250 В;

♦ номинальный ток, например, 6,3 или 10 А.

Когда автоматический выключатель включен, кнопка для его включе­ния утоплена. На кинематических схемах детали показаны простейшим образом: оси обозначены точками (кружками), детали, изготовленные из изоляционных материалов, заштрихованы крест-накрест.

Первый этап— работа в штатном режиме сети. ПАР включен (рис. 5.18). Ток проходит от центрального контакта через неподвиж­ные контакты, соединенные контактным мостиком, биметаллическую пластину (или через проволоку, навитую на нее, в зависимости от кон­струкции), гибкий проводник и обмотку электромагнита к гильзе. Под действием тока нагрузки биметаллическая пластина нагревается и несколько изгибается, а в электромагните возникают механические уси­лия, которые тянут сердечник вниз, внутрь электромагнита. Однако, пока сила протекающего тока не превосходит допустимой, ни изгиба­ние биметалла, ни усилия электромагнита не могут изменить положения деталей автоматического выключателя, и он остается включенным.

Второй этап — работа при значительной перегрузке сети. При воз­никновении долго продолжающейся значительной перегрузки:

Рис. 5.18. Работа ПАР в штатном режиме

♦ биметаллическая пластина успевает сильно изогнуться.

Изгиб происходит тем бы­стрее, чем перегрузка больше;

♦ штифт, связанный с пласти­ной, перемещается влево и переходит в положение, изо­браженное на рис. 5.19;

♦ рычаг соскакивает со штиф­та;

♦ пружина выталкивает вверх цилиндрическую деталь;

♦ рычаг поворачивается вокруг оси О и благодаря этому ПАР отключается.

Ось при этом перемещается вверх по направляющим пазам.

Штифт

Направляющие пазы

Цилиндрическая

деталь

Пружина

Рис. 5.19. Работа ПАР при значительной нагрузке

Третий этап — восстановление температурного режима автомата. Через несколько минут биметалли­ческая пластинка остывает, после чего автоматический выключатель может быть вновь включен. Если к этому времени причина перегрузки уже устранена, то автоматический выключатель может быть включен и работать в штатном режиме. Если перегрузка не устранена, он через некоторое время опять отключится.

Четвертый этап — ручное включение после восстановления. Автоматический выключатель включается кнопкой. При этом рычаг повернется вокруг оси О и займет положение, показанное на рис. 5.18. Контакты замкнутся, и механизм во включенном положении будет зафиксирован благодаря тому, что левый конец рычага будет удержи­ваться штифтом, а правый — защелкой.

Пятый этап — работа при коротком замыкании в сети. Если ток в сети резко и значительно возрастает:

Кнопка

Кнопка для ручного отключения Ось О,

Пружина

Защелка

Сердечник

электромагнита

Пружина

Рис. 5.20. Работа ПАР при коротком замыкании в защищаемой сети

♦ сердечник мгновенно втяги­вается вниз (рис. 5.20);

♦ защелка поворачивается во­круг оси О, и освобождает рычаг;

♦ в результате этого автомати­ческий выключатель отклю­чается.

Описанное выше мгновенное отключение называется отсечкой.

При последующем включении ПАР, если повреждение в сети не устранено (например, касаются друг друга оголенные провода),

ПАР немедленно отключается, независимо от того, сколько вре­

мени нажата кнопка включения, и повторно включиться не сможет. Это обязательное требование к автоматическим выключателям (при нажа­тии кнопки включаться в случае поврежденной сети только 1 раз) обе­спечивается так называемым свободным расцеплением. Чтобы повторно включить автомат, надо произвести сознательное действие, в нашем примере отпустить кнопку, а потом еще раз ее нажать.

Шестой этап — отключение вручную. Производится нажатием кнопки для ручного отключения:

♦ кнопка надавливает на защелку;

♦ процесс отключения происходит так же, как при автоматическом отключении.

Пружина определяет необходимое положение защелки и сердечника электромагнита. Пружина создает контактное нажатие.

5.4.