Устройство и принцип работы автоматического выключателя

Устройство и принцип работы автоматического выключателя

Для электромонтёра коммутационная аппаратура является одним из основных устройств, с которыми приходится работать. Автоматические выключатели несут как коммутационную, так и защитную роль. Ни один современный электрощит не обходится без автоматов. В этой статье мы рассмотрим, как устроен и работает автоматический выключатель.

Определение

Автоматический выключатель – это коммутационный прибор, предназначенный для защиты кабелей от критических значений токов. Это нужно для того, чтобы избежать повреждений токопроводящих жил проводов и кабелей в случае межфазных замыканий и замыканий на землю.

Важно: Основная задача автоматического выключателя – защитить кабельную линию от последствий протекания токов короткого замыкания.

Основными характеристиками автоматических выключателей являются:

Номинальный ток (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 35, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300);

Время токовая характеристика.

Наибольшее распространение автоматы получили в бытовых и промышленных электросетях с напряжением 220/380 вольт. Напряжения приведены для отечественных электросетей. За рубежом они могут отличаться. В высоковольтных линиях используются релейные схемы и трансформаторы тока. Время-токовая характеристика отражает, через какой промежуток времени и при какой величине тока относительно номинального произойдет размыкание его контактов. Пример её изображен на рисунке ниже:

Принцип работы

Автоматический выключатель (АВ) – это коммутационный аппарат, который содержит два вида защиты:

Каждый из них выполняет одну и ту же работу – размыкание силовых контактов, но при разных условиях. Рассмотрим их подробнее.

При протекании токов через автомат ниже номинального его контакты будут замкнуты бесконечно долго. Но при незначительном превышении тока тепловой расцепитель, представленный биметаллической пластиной, разомкнет их.

Чем больше ток, протекающий через контакты автоматичсекого выключателя, тем быстрее произойдет нагрев биметаллической пластины – это описывается во время токовой характеристике и обозначается быстродействием автомата (буква около номинального тока в маркировке). В зависимости от того насколько перегружен по току автомат зависит время его отключения, это могут быть и десятки минут, а могут быть и единицы секунд.

Электромагнитный расцепитель срабатывает при быстром росте тока. Величина тока его срабатывания на порядки превышает номинальный ток.

Отсюда возникает вопрос: “Так зачем же автомату две защиты, если можно просто сконструировать его так, чтобы он выключался сразу при превышении номинального тока?”

Ответа на этот вопрос два:

1. Наличие двух защит увеличивает надежность системы в целом.

2. При подключении к автоматическому выключателю устройств ток, у которых изменяется в процессе пуска и работы, чтобы не происходило ложных срабатываний. Например, у электродвигателей пусковой ток может в десятки раз превышать номинальный, а также при их работе могут возникать кратковременные перегрузки на валу (допустим, токарный станок). Тогда при затяжном пуске будет также выбивать автомат.

Устройство

Автоматический выключатель состоит из:

Корпуса (на рисунке – 6).

Клемм для подключения токопроводящих жил (на рисунке – 2).

Силовых контактов (на рисунке – 3, 4).

Дугогасительной камеры (на рисунке – 8).

Рычагов соединенных с кнопками или флажками для его включения и отключения (замыкания и размыкания контактов) (на рисунке – 1 и то, с чем он соединен).

Теплового разъединителя (на рисунке – 5).

Электромагнитного разъединителя (на рисунке – 7).

Цифрой 9 обозначена защелка для крепления на дин-рейку.

К клеммам (обычно верхним, на практике не имеет особого значения) подключается питания, к клеммам на противоположной стороне подключается нагрузка. Ток проходит через силовые контакты, катушку электромагнитного разъединителя, тепловой разъединитель.

Электромагнитная защита выполнена в виде катушки из медного провода, она намотана на каркасе, внутри которого расположен подвижный сердечник. Катушке содержит от нескольких единиц до пары десятков витков, в зависимости от её номинального тока. При этом, чем меньше номинальный ток, тем больше витков и меньше сечение провода катушки.

При протекании тока через катушку вокруг неё образуется магнитное поле, которое воздействует на подвижный сердечник внутри. В результате чего он выдвигается и толкает рычаг, в результате чего силовые контакты размыкаются. Если смотреть на рисунке – то рычаг находится ниже катушки, и когда её сердечник опускается – механизм приводится в действие.

Тепловая защита нужна для длительных превышений тока. Она представляет собой биметаллическую пластину, которая при нагреве изгибается в одну из сторон. При достижении критического состояния она толкает рычаг, и контакты разъединяются. Дугогасительная камера нужна для гашения дуги, которая возникает вследствие размыкания цепи под нагрузкой.

Процесс дугообразования зависит от характера нагрузки и её величины. При этом при отключении индуктивной нагрузки (электродвигатель) возникают более сильные дуги, чем при коммутации активной нагрузки. Газы, образовавшиеся в результате её горения, отводятся через специальный канал. Это в разы повышает срок службы силовых контактов.

Дугогасительная камера состоит из набора металлических пластин и диэлектрических крышек. Заключение Раньше автоматические выключатели ремонтировали, и можно было собрать из нескольких один нормально функционирующий. Была возможность отрегулировать и заменить силовые контакты и другие его узлы.

В настоящее время автоматы заключены в неразборный литой или собранный с помощью заклепок корпус. Их ремонт нецелесообразен, сложен и займет много времени. Поэтому автоматы просто заменяют новыми.

Читайте также:  Как измерить сопротивление изоляции мегаомметром

Устройство и принцип работы автоматического выключателя

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Многих интересует, для чего нужен автоматический выключатель, а также устройство и принцип действия автоматического выключателя. Сегодня в нашей статье мы постараемся ответить на эти вопросы.

Итак, начнем с первого вопроса. Автоматический выключатель устанавливают для того, чтобы защитить кабели, провода, а также электроприборы от короткого замыкания (к.з.) и перегрузки.

Устройство автоматического выключателя

Модульный автоматический выключатель внешне представлен в виде корпуса и рычага управления, которые выполнены из ПВХ-пластиката пониженной горючести. Также невооруженным взглядом можно определить клеммы (нижняя и верхняя) для подключения кабеля или провода. Внутри же корпуса защитного аппарата размещаются следующие элементы:

• силовые контакты (подвижный и неподвижный), обеспечивающие коммутацию;
• механизм взвода и расцепления, который взаимосвязан с рычагом управления;
• катушка (электромагнит) и подвижный сердечник (якорь), выполняющий функцию толкателя. Эти элементы являются электромагнитным расцепителем и обеспечивают защиту от токов к.з.;
• дугогасительная камера. Данное устройство выполняет быстрое гашение дугового разряда, который образуется при размыкании контактов;
• биметаллическая пластина. Данный элемент является тепловым расцепителем и обеспечивает защиту от повышенной нагрузки. Также имеется регулировочный винт, при помощи которого обеспечивается регулировка значения тока, при котором данный расцепитель должен сработать.

Принцип работы автоматического выключателя

Работа автоматического выключателя в различных режимах происходит по такому принципу:

1. Нормальный режим.

Во время взвода рычага управления выключателем приводится в движение механизма взвода и расцепления, тем самым осуществляя коммутацию силовых контактов.
После коммутации ток протекает от питающего провода или кабеля, подключенного к винтовому зажиму, через этот зажим по контактам, сначала по неподвижному, а затем и по подвижному. Далее ток проходит через гибкую связь, катушку электромагнита, снова через гибкую связь и биметаллическую пластину, и в конце через нижний винтовой зажим к отходящей линии, “питающей” электроприбор.

2. Короткое замыкание.

В данном режиме электромагнитный расцепитель автоматического выключателя должен произвести мгновенное отключение нагрузки. Принцип действия заключается в следующем: при значительном превышении номинального тока, протекающего через обмотку электромагнита, возникает мощное магнитное поле, которое тянет вниз якорь с подвижным контактом. Якорь в свою очередь надавливает на рычажок спускового механизма, в результате чего происходит отключение нагрузки.
Необходимо отметить, что в результате мгновенного возникновения магнитного поля автоматический выключатель успевает отключиться до появления нежелательных последствий.
Однако во время размыкания возможно возникновение дугового разряда между подвижным и неподвижным контактами. Дуга движется в сторону дугогасительной камеры. Попадая на пластины, дуга расщепляется, завлекается внутрь камеры и тухнет. Образовавшиеся продукты горения вместе с избыточным давлением выходят наружу через специальное отверстие в корпусе автомата.

За защиту от перегрузки отвечает тепловой расцепитель. Принцип работы данного расцепителя заключается в следующем: когда ток, протекающий через биметаллическую пластину, становится равным или больше установленного значения, пластина нагревается и постепенно изгибается. Достигнув определенного угла изгиба, она надавливает своим кончиком на рычажок спускового механизма. Таким образом автомат отключается.

Стоит отметить, что терморасцепитель, в отличие от магнитного, является более медлительным. Для его срабатывания требуется больше времени, но зато он более точный и легче поддается настройке.

Мы рассказали об устройстве и принципе работы автоматического выключателя. Также вы можете посмотреть наше видео, в котором детально показано, как устроен автомат и принцип его работы.

Принцип работы автоматического выключателя

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 расцепитель состоит 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.

Читайте также:  Как замерить вольтаж мультиметром

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 выключатель при перегрузках

Как работает автомат в режиме короткого замыкания

В случае короткого замыкания принцип работы автоматического выключателя иной. 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 выключателя в 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.

Принцип работы автоматического выключателя

Автоматические выключатели

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).

Читайте также:  Как померить амперы мультиметром

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:

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:

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:

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.

Модульные автоматические выключатели

Типы автоматических выключателей

Существуют такие типы:

  • 2-полюсный: предназначен для однофазной линии, состоящей из одного разъема под напряжением и одного нейтрального провода.
  • 4-полюсный: он рассчитан на трехфазную линию, состоящую из 4 слотов, где могут быть подключены три фазовых провода и нейтральный провод.

Следовательно, он обеспечивает устройство защиты в режиме реального времени для основных цепей, используемых в промышленности и других высоковольтных коммерческих местах, где из-за этого всегда существует риск поражения электрическим током и несчастного случая.

Штатный режим работы

В штатном режиме через автоматический выключатель течет ток, который меньше номинального или равен ему.

При этом напряжение питания поступает на верхнюю клемму, которая соединена с неподвижным контактом.

С последнего ток идет к подвижному контакту, затем по гибкому медному проводнику на соленоид.

Далее ток с соленоида поступает на расцепитель (тепловое реле) и после на клемму, расположенную снизу. Именно она соединяется с потребителями электроэнергии.

Аварийные режимы работы

Принцип работы автоматического выключателя переменного тока таков, что при аварийной ситуации (перегрузка или короткое замыкание) происходит отключение защищаемой цепи.

Начинает работать механизм свободного расцепления, он приводится в действие специальным расцепителем (обычно электромагнитные или тепловые используются в конструкциях).

Режим перегрузки

Режим перегрузки – это когда ток, потребляемый подключенной к автомату нагрузкой, становится выше, нежели номинальное значение прибора. При этом ток, который проходит через расцепитель, вызывает нагрев пластины из биметалла, что приводит к увеличению ее изгиба. Это приводит к тому, что срабатывает расцепительный механизм. В этот момент выключается автомат, и цепь размыкается.

Тепловая защита срабатывает не мгновенно, так как для нагрева пластины нужно некоторое время. И оно варьируется в зависимости от того, насколько превышено номинальное значение силы тока. Промежуток времени может колебаться от пары секунд до часа. Задержка позволит избавиться от отключения питания при непродолжительном и случайном повышении тока. Часто такие превышения можно наблюдать при запуске электродвигателя.

Ток срабатывания

Минимальное значение силы тока, при котором обязан срабатывать тепловой расцепитель, регулируется специальным винтом на заводе-изготовителе.

Значение примерно в полтора раза выше, нежели номинал, который указывается на корпусе выключателя. Как видите, принцип работы расцепителя автоматического выключателя не очень сложен. Но на силу тока, при котором происходит срабатывание тепловой защиты, огромное влияние оказывает и то, какая у окружающей среды температура.

Если в помещении жарко, то прогрев и выгибание биметаллической пластины начнут происходить при малом значении тока.

А если в помещении холодно, то тепловой расцепитель начнет работать при более высоком токе.

Поэтому один и тот же автоматический выключатель с биметаллической пластиной будет работать по-разному зимой и летом.

Это к автоматам с электромагнитными расцепителями не относится.