Как действует автоматический выключатель?

Для защиты бытовых электрических цепей обычно используются автоматические выключатели модульной конструкции. Компактность, легкость монтажа и замены, в случае необходимости, объясняет их широкое распространение.

Внешне такой автомат представляет собой корпус из термостойкой пластмассы. На лицевой поверхности расположена рукоятка включения и выключения, сзади – фиксатор-защелка для крепления на DIN-рейке, а сверху и снизу – винтовые клеммы. В данной статье рассмотрим принцип работы автоматического выключателя.

Как работает автоматический выключатель?

В режиме штатной работы через автомат протекает ток, меньший или равный номинальному значению.

Питающее напряжение от внешней сети подается на верхнюю клемму, соединенную с неподвижным контактом. С неподвижного контакта ток поступает на замкнутый с ним подвижный контакт, а от него, через гибкий медный проводник – на катушку соленоида. После соленоида ток подается на тепловой расцепитель и уже после него – на нижнюю клемму, с подключенной к ней сетью нагрузки.

В аварийных режимах автоматический выключатель отключает защищаемую цепь за счет срабатывания механизма свободного расцепления, приводимого в действие тепловым или электромагнитным расцепителем. Причиной такого срабатывания является перегрузка или короткое замыкание.Тепловой расцепитель– это биметаллическая пластина, состоящая из двух слоев сплавов с различными коэффициентами термического расширения. При прохождении электрического тока пластина нагревается и изгибается в сторону слоя с меньшим коэффициентом термического расширения.

При превышении заданного значения силы тока, изгиб пластины достигает величины, достаточной для приведения в действие механизма расцепления, и цепь размыкается, отсекая защищаемую нагрузку.Электромагнитный расцепительсостоит из соленоида с подвижным стальным сердечником, удерживаемым пружиной. При превышении заданного значения тока, по закону электромагнитной индукции в катушке наводится электромагнитное поле, под действием которого сердечник втягивается внутрь катушки соленоида, преодолевая сопротивление пружины, и вызывает срабатывание механизма расцепления. В нормальном режиме работы в катушке также наводится магнитное поле, но его силы недостаточно, чтобы преодолеть сопротивление пружины и втянуть сердечник.

Как работает автомат в режиме перегрузки

Режим перегрузки возникает, когда ток в подключенной к автомату цепи превышает номинальное значение, на которое рассчитан автоматический выключатель. При этом повышенный ток, проходящий через тепловой расцепитель, вызывает повышение температуры биметаллической пластины и, соответственно, увеличение ее изгиба вплоть до срабатывания механизма расцепления. Автомат отключается и размыкает цепь.

Срабатывание тепловой защиты не происходит мгновенно, поскольку на разогрев биметаллической пластины потребуется некоторое время. Это время может варьироваться в зависимости от величины превышения номинального значения тока от нескольких секунд до часа.

Такая задержка позволяет избежать отключения питания при случайных и непродолжительных повышениях тока в цепи (например, при включении электродвигателей которые имеют большие пусковые токи).

Минимальное значение тока, при котором должен сработать тепловой расцепитель, устанавливается при помощи регулировочного винта на заводе-изготовителе. Обычно это значение в 1,13-1,45 раз превышает номинал, указанный на маркировке автомата.

На величину тока, при котором сработает тепловая защита, влияет и температура окружающей среды. В жарком помещении биметаллическая пластина прогреется и изогнется до срабатывания при меньшем токе. А в помещениях с низкими температурами ток, при котором сработает тепловой расцепитель, может оказаться выше допустимого.

Причиной перегрузки сети является подключение к ней потребителей, суммарная мощность которых превышает расчетную мощность защищаемой сети. Одновременное включение различных видов мощной бытовой техники (кондиционер, электрическая плита, стиральная и посудомоечная машина, утюг, электрочайник и т.д.) – вполне может привести к срабатыванию теплового расцепителя.

В этом случае определитесь, какие из потребителей можно отключить.

И не спешите снова включать автомат. Вы все равно не сможете взвести его в рабочее положение, пока он не остынет, а биметаллическая пластина расцепителя не вернется в свое исходное состояние. Теперь вы знаете как работает автоматический выключательпри перегрузках

Как работает автомат в режиме короткого замыкания

В случае короткого замыкания принцип работы автоматического выключателяиной.

При коротком замыкании ток в цепи резко и многократно возрастает до значений, способных расплавить проводку, а точнее изоляцию электропроводки. Для того чтобы предотвратить такое развитие событий необходимо мгновенно разорвать цепь. Электромагнитный расцепитель именно так и срабатывает.

Электромагнитный расцепитель представляет собой катушку соленоида, внутри которой расположен стальной сердечник, удерживаемый в фиксированном положении пружиной.

Многократное возрастание тока в обмотке соленоида, происходящее при коротком замыкании в цепи, приводит к пропорциональному возрастанию магнитного потока, под действием которого сердечник втягивается в катушку соленоида, преодолевая сопротивление пружины, и нажимает на спусковую планку механизма расцепления. Силовые контакты автомата размыкаются, прерывая питание аварийного участка цепи.Таким образом, срабатывание электромагнитного расцепителя защищает от возгорания и разрушения электропроводку, замкнувший электроприбор и сам автомат. Время его срабатывания составляет порядка 0,02 секунды, и электропроводка не успевает разогреться до опасных температур.В момент размыкания силовых контактов автомата, когда по ним проходит большой ток, между ними возникает электрическая дуга, температура которой может достигать 3000 градусов.Чтобы защитить контакты и другие детали автомата от разрушительного воздействия этой дуги, в конструкции автомата предусмотрена дугогасительная камера.

Дугогасительная камера представляет собой решетку из набора металлических пластин, которые изолированы друг от друга.Дуга возникает в месте размыкания контакта, а затем один ее конец движется вместе с подвижным контактом, а второй скользит сначала по неподвижному контакту, а потом по соединенному с ним проводнику, ведущему к задней стенке дугогасительной камеры.Там она делится (дробится) на пластинах дугогасительной камеры, слабеет и гаснет. В нижней части автомата предусмотрены специальные отверстия для отвода газов, образующихся при горении дуги.В случае отключения автомата при срабатывании электромагнитного расцепителя, вы не сможете пользоваться электричеством до тех пор пока не найдете и не устраните причину короткого замыкания. Вероятнее всего причина в неисправности одного из потребителей.Отключите все потребители и попробуйте включить автомат.Если вам это удалось и автомат не выбивает, значит, действительно – виноват один из потребителей и вам осталось выяснить какой именно.

Если же автомат и с отключенными потребителями снова выбивает, значит все гораздо сложнее, и мы имеем дело с пробоем изоляции проводки. Придется искать, где это произошло.Вот таков принцип работы автоматического выключателяв условиях различных аварийных ситуаций.Если отключение автоматического выключателя стало для вас постоянной проблемой, не пытайтесь решить ее установкой автомата с большим номинальным током.Автоматы устанавливаются с учетом сечения вашей проводки, и, значит, больший ток в вашей сети просто не допускается. Найти решение проблемы можно только после полного обследования системы электроснабжения вашего жилища профессионалами.Похожие материалы на сайте:Эта статья продолжает серию публикаций по электрическим аппаратам защиты— автоматическим выключателям, УЗО, дифавтоматам, в которых мы подробно разберем назначение, конструкцию и принцип их работы, а также рассмотрим их основные характеристики и детально  разберем расчет и выбор электрических аппаратов защиты.

Завершит этот цикл статей пошаговой алгоритм, в котором кратко, схематично и в логической последовательности будет рассмотрен полный алгоритм расчета и выбора автоматических выключателейи УЗО.Чтобы не пропустить выход новых материалов по этой теме подписывайтесь на новостную рассылку, форма подписки внизу этой статьи.Ну а в этой статье мы разберемся, что же такое автоматический выключатель, для чего предназначен, как он устроен и рассмотрим, как он работает.Автоматический выключатель(или обычно просто «автомат») — это контактный коммутационный аппарат, который предназначен для включения и отключения (т. е. для коммутации) электрической цепи, защиты кабелей, проводов и потребителей  (электрических приборов) от токов перегрузки и от токов короткого замыкания.Т.е. автоматический выключатель выполняет три основный функции:1)коммутацию цепи (позволяет включать и отключать конкретный участок электрической цепи);2)обеспечивает защиту от токов перегрузки, отключая защищаемую цепь, когда в ней протекает ток, превышающий допустимый (например, при подключении в линию мощного прибора или приборов);3)  отключает от питающей сети защищаемую цепь, когда в ней возникают большие по значению токи короткого замыкания.Таким образом, автоматы выполняют одновременно и функции защитыи функцииуправления.По конструктивному исполнению выпускаются три основных типа автоматических выключателей:— воздушные автоматические выключатели(применяются в промышленности в цепях с большими токами в тысячи ампер);— автоматические выключатели в литом корпусе(рассчитаны на большой диапазон рабочих токов от 16 до 1000 Ампер);

— модульные автоматические выключатели, наиболее нам известные, к которым мы привыкли. Они широко применяются в быту, в наших домах и квартирах.Модульными они называются потому, что их ширина стандартизирована и в зависимости от количества полюсов,  кратна 17.5 мм, более подробно этот вопрос будет рассмотрен в отдельной статье.Мы с вами, на страницах сайта http://elektrik-sam.info, будем рассматривать именно модульные автоматические выключатели и устройства защитного отключения.Устройство и принцип работы автоматического выключателя.Рассматривая конструкцию УЗО, я говорил, что для исследования от заказчика достались также и автоматические выключатели, конструкцию которых мы сейчас рассмотрим.Корпус автоматического выключателя изготавливается из диэлектрического материала. На передней панели нанесена торговая марка (брэнд) производителя, каталожный номер.

Основные характеристики — номинал (в нашем случае номинальный ток 16 Ампер) и время токовая характеристика (у нашего образца С).Также на передней поверхности указываются и другие параметры автоматического выключателя, о которых речь пойдет в отдельной статье.На задней части имеется специальное крепление для монтажа на DIN-рейку и крепления на ней с помощью специальной защелки.DIN-рейка —  это металлическая рейка специальной формы, шириной 35 мм, предназначенная для крепления модульных устройств (автоматов, УЗО, различных реле, пускателей, клеммников и т. д.; выпускаются счетчики электроэнергии специально для установки на DIN-рейку). Для монтажа на рейку необходимо завести корпус автомата за верхнюю часть DIN-рейки и нажать на нижнюю часть автомата, чтобы фиксатор защелкнулся.

Для снятия с DIN-рейки необходимо поддеть снизу фиксатор защелки и снять автомат.Встречаются модульные устройства с тугими защелками, в этом случае при установке на DIN-рейку необходимо поддевать снизу защелку фиксатора, заводить автомат на рейку и потом отпускать защелку, либо защелкивать ее принудительно, надавливая на нее отверткой.Корпус автоматического выключателя состоит из двух половинок, соединенных четырьмя заклепками. Чтобы разобрать корпус, необходимо высверлить заклепки и снять одну из половинок корпуса.В результате получаем доступ к внутреннему механизму автоматического выключателя.Итак, в конструкцию автоматического выключателя входят:1 — верхняя винтовая клемма;2 — нижняя винтовая клемма;3 — неподвижный контакт;4 — подвижный контакт;5 — гибкий проводник;6 — катушка электромагнитного расцепителя;7 — сердечник электромагнитного расцепителя;8 — механизм расцепителя;9 — рукоятка управления;10 — гибкий проводник;11 — биметаллическая пластина теплового расцепителя;12 — регулировочный винт теплового расцепителя;13 — дугогасительная камера;14 — отверстие для отвода газов;15 — защелка фиксатора.Поднимаярукоятку управления вверх, автоматический выключатель подключается к защищаемой цепи, опустив рукоятку вниз — отключатся от нее .Тепловой расцепитель, представляет собой биметаллическую пластину, которая нагревается проходящим через нее током, и если ток превышает заданное значение, пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепителя, отключая таким образом автоматический выключатель от защищаемой цепи.Электромагнитный расцепитель — это соленоид, т. е.

катушка с намотанной проволокой, а внутри сердечник с пружиной. При возникновении короткого замыкания ток в цепи очень быстро нарастает, в обмотке катушки электромагнитного расцепителя наводится магнитный поток, под воздействием наведенного магнитного потока перемещается сердечник, и, преодолевая усилие пружины, воздействует на механизм и отключает автомат.Как работает автоматический выключатель?В обычном (неаварийном)режиме работы автоматического выключателя, когда рычаг управления взведен, электрический ток подается к автомату через питающий провод, подключенный к верхней клемме, далее ток проходит на неподвижный контакт, через него на подключенный к нему подвижный контакт, далее через гибкий проводник подается на катушку соленоида, после катушки по гибкому проводнику на биметаллическую пластину теплового расцепителя, от него на нижнюю винтовую клемму и далее в цепь подключенной нагрузки.На рисунке показан автомат во включенном состоянии: рычаг управления поднят вверх, подвижный и неподвижный соединены.Перегрузкавозникает, когда ток в  цепи, контролируемой автоматическим выключателем, начинает превышать номинальный ток автомата. Биметаллическая пластина теплового расцепителя начинает нагреваться проходящим через нее повышенным электрическим током, изгибается, и, если ток в цепи не уменьшается, пластина воздействует на механизм расцепления, и автоматический выключатель отключается, размыкая защищаемую цепь.

Для нагрева и изгибания биметаллической пластины требуется некоторое время.

Время срабатывания зависит от величины проходящего через пластину тока, чем больше ток, тем меньше время срабатывания и может быть от нескольких секунд до часа.Минимальный ток срабатывания теплового расцепителя составляет 1,13-1,45 от номинального тока автомата (т. е. тепловой расцепитель начинает срабатывать при превышении номинального тока на 13-45%).Автоматический выключатель— это устройство аналоговое, этим объясняется такой разброс параметров.Существуют технические сложности при его точной настройке.

Ток срабатывания теплового расцепителя устанавливается на заводе регулировочным винтом 12. После того, как остынет биметаллическая пластина, автоматический выключатель готов к дальнейшему использованию.Температура биметаллической пластины зависит от температуры окружающей среды: если автоматический выключатель установлен в помещении с высокой температурой воздуха, то тепловой расцепитель может сработать при меньшем токе, соответственно при низких температурах ток срабатывания теплового расцепителя может быть выше допустимого. Подробно этот вопрос смотрите в статье Почему в жару срабатывает автоматический выключатель?Тепловой расцепитель срабатывает не сразу, а через какое-то время, давая возможность току перегрузки вернуться к своему нормальному значению.

Если же в течение этого времени ток не снижается, тепловой расцепитель срабатывает, защищая цепь потребителей от перегрева, оплавления изоляции и возможного возгорания проводки.К перегрузке может приводить подключение в линию мощных приборов, превышающих расчетную мощность защищаемой цепи. Например,  при включении в линию очень мощного нагревателя или электроплиты с духовкой (с мощностью, превышающей расчетную мощность линии), или одновременно несколько мощных потребителей (электроплита, кондиционер, стиральная машина, бойлер, электрочайник и т. п.), либо большого количества одновременно включенных приборов.

При коротком замыканииток в цепи мгновенно возрастает, наводимое в катушке по закону электромагнитной индукции магнитное поле перемещает сердечник соленоида, который приводит в действие механизм расцепителя и размыкает силовые контакты автоматического выключателя (т.

е. подвижный и неподвижный контакты). Линия размыкается, позволяя снять с аварийной цепи питание и защитить от возгорания и разрушения сам автомат, электропроводку и замкнувший электроприбор.Электромагнитный расцепитель срабатывает практически мгновенно (около 0,02с), в отличие от теплового, но при значительно больших значениях тока (от 3-х и более значений номинального тока), поэтому электропроводка не успевает нагреться до температуры плавления изоляции.

При размыкании контактов цепи, когда в ней проходит электрический ток, возникает электрическая дуга, и чем больше ток в цепи — тем дуга мощнее.Электрическая дуга вызывает эррозию и разрушение контактов. Чтобы защитить контакты автоматического выключателя от ее разрушающего действия, дуга, возникающая в момент размыкания контактов, направляется в дугогасительную камеру(состоящую из параллельных пластин), где она дробится, затухает, охлаждается и исчезает. При горении дуги образуются газы, они отводятся наружу из корпуса автомата через специальное отверстие.Автомат не рекомендуется  использовать в качестве обычного выключателя цепи, особенно если его отключать при подключенной мощной нагрузке (т.

е. при больших токах в цепи), поскольку это ускорит разрушение и эррозию контактов.Итак, давайте резюмируем:— автоматический выключатель позволяет коммутировать цепь (переводя рычаг управления вверх – автомат подключается к цепи; переводя рычаг вниз – автомат отключает питающую линию от цепи нагрузки);— имеет встроенный тепловой расцепитель, который защищает линию нагрузки от токов перегрузки, он инерционен и срабатывает через некоторое время;— имеет встроенный электромагнитный расцепитель, защищающий линию нагрузки от больших токов короткого замыкания и срабатывает почти мгновенно;— содержит дугогасящую камеру, которая защищает силовые контакты от разрушительного действия электромагнитной дуги.Конструкцию, назначение и принцип действия мы разобрали.В следующей статье мы рассмотрим основные характеристики автоматического выключателя, которые необходимо знать при его выборе.СмотритеКонструкция и принцип работы автоматического выключателяв видеоформате:Полезные статьи по теме:Автоматические выключатели УЗО дифавтоматы — руководство.Как выбирать автоматические выключатели, УЗО, дифавтоматы?Номиналы групповых автоматов превышают номинал вводного?Почему в жару срабатывает автоматический выключатель?Менять ли автоматический выключатель, если его «выбивает»?Конструкция (устройство) УЗО.Устройство УЗО и принцип действия.Работа УЗО при обрыве нуля.Как проверить тип УЗО?Почему УЗО выбирают на ступень выше?Автоматические выключатели – это устройства, которые предназначаются для защитного отключения цепей постоянного и переменного тока в случаях короткого замыкания, токовой перегрузки, снижения напряжения или его исчезновения. В отличии от плавких предохранителей автоматические выключатели имеют более точный ток отключения, могут многократно использоваться, а также при трехфазном исполнении при срабатывании предохранителя какая – то из фаз (одна либо две) могут остаться под напряжением, что является тоже аварийным режимом работы (особенно при питании трехфазных электродвигателей).Автоматические выключатели классифицируют по выполняемым функциям, таким как:Автоматы минимального и максимального тока;Автоматы минимального напряжения;Обратной мощности;

Принцип действия автоматического выключателя

Мы рассмотрим принцип действия автоматического выключателя на примере автомата максимального тока. Его схема показана ниже:

Где: 1 – электромагнит, 2 – якорь, 3, 7 – пружины, 4 – ось, по которой движется якорь, 5 – защелка, 6 – рычаг, 8 – силовой контакт.

При протекании  номинального тока система работает нормально.

Как только ток превысит допустимое значение уставки, последовательно включенный в цепь электромагнит 1, преодолеет усилие сдерживающей пружины 3 и втянет якорь 2, и провернувшись через ось 4 защелка 5 освободит рычаг 6. Тогда отключающая пружина 7 разомкнет силовые контакты 8. Такой автомат включается вручную.

В настоящее время созданы автоматы, которые имеют время отключения от 0,02 – 0,007 с на токи отключения 3000 – 5000 А.

Конструкции автоматических выключателей

Существует довольно много различных конструкций автоматических выключателей как цепей переменного, так и цепей постоянного тока. В последнее время очень широкое распространение получили автоматы малогабаритные, которые предназначаются для защиты от КЗ и токовых перегрузок сетей бытовых и производственных в установках на токи до 50 А и напряжением до 380 В.

Главным защитным средством в таких выключателях являются биметаллические или электромагнитные элементы, срабатывающие с определенной выдержкой времени при нагревании.

Автоматы, в которых присутствует электромагнит, обладают довольно большим быстродействием, и этот фактор очень важен при коротких замыканиях.Ниже показан пробочный автомат на ток 6 А и напряжением не превышающим 250 В:Где: 1 – электромагнит, 2 –пластина биметаллическая, 3, 4 – кнопки включения и  выключения соответственно, 5 – расцепитель.Биметаллическую пластину, как и электромагнит, включают в цепь последовательно.Если через автоматический выключатель протекает ток выше номинального,  пластина начинает нагреваться. При длительном протекании превышающего тока пластина 2 деформируется в следствии нагрева, и воздействует на механизм расцепителя 5. При возникновении в цепи короткого замыкания электромагнит 1, мгновенно втянет сердечник и этим тоже воздействует на расцепитель, который разомкнет цепь.Также данный тип автомата отключается вручную путем нажатия кнопки 4, а включение только ручное путем нажатия кнопки 3.

Механизм расцепления выполняется в виде ломающегося рычага или защелки. Принципиальная электрическая схема автомата показана ниже:Где: 1 – электромагнит, 2 – биметаллическая пластина.Принцип действия трехфазных автоматических выключателей практически ничем не отличается от однофазных. Трехфазные выключатели снабжаются специальными дугогасительными камерами или катушками, в зависимости от мощности устройств.Ниже приведено видео подробно описывающее работу автоматического выключателя:

Источники:

• electricvdome.ru
• elektrik-sam.info
• elenergi.ru