Автоматический выключатель (также автомат защиты) — контактный коммутационный аппарат (механический или электронный), способный включать токи, проводить их и отключать при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного (заданного) времени и автоматически отключать токи при нормированных ненормальных условиях в цепи, таких как токи короткого замыкания[1][2].
По роду тока главной цепи: постоянного тока; переменного тока; постоянного и переменного тока.
Номинальные токи главных цепей выключателей, предназначенных для работы при температуре окружающего воздуха +40 °C, должны соответствовать ГОСТ 6827. Номинальные токи для главных цепей выключателя выбирают из ряда: 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2000; 2500; 4000; 6300 А. Дополнительно могут выпускаться выключатели на номинальные токи главных цепей выключателей: 1500; 3000; 3200 А.
Номинальные токи максимальных расцепителей тока выключателей, предназначенных для работы при температуре окружающего воздуха +40 °C, должны соответствовать ГОСТ 6827.
По конструкции: воздушный автоматический выключатель (англ. Air Circuit Breaker, сокращенно АСВ) от 800 А до 6300 А, выключатель в литом корпусе (с англ. — «МССВ») от 10 А до 2500 А, модульные автоматические выключатели (с англ. — «МСВ») от 0,5 А до 125 А.
По числу полюсов главной цепи: однополюсные; двухполюсные; трёхполюсные; четырёхполюсные.
По наличию токоограничения: токоограничивающие; нетокоограничивающие.
По видам расцепителей: с максимальным расцепителем тока; с независимым расцепителем; с минимальным или нулевым расцепителем напряжения.
По характеристике выдержки времени максимальных расцепителей тока: без выдержки времени; с выдержкой времени, независимой от тока; с выдержкой времени, обратно зависимой от тока; с сочетанием указанных характеристик.
По наличию свободных контактов («блок-контактов») для вторичных цепей: с контактами; без контактов.
По способу присоединения внешних проводников: с задним присоединением; с передним присоединением; с комбинированным присоединением (верхние зажимы с задним присоединением, а нижние — с передним присоединением или наоборот); с универсальным присоединением (передним и задним).
По виду установки: выкатные с втычными контактами; стационарные.
По виду исполнения отсечки: селективные, неселективные.
По виду привода: с ручным; с двигательным; с пружинным.
По наличию и степени защиты выключателя от воздействия окружающей среды и от соприкосновения с находящимися под напряжением частями выключателя и его движущимися частями, расположенными внутри оболочки (в соответствии с требованиями ГОСТ 14255).
Автоматические выключатели бывают одно-, двух-, трёх- или четырёхполюсными и имеют следующие конструктивные узлы: главную контактную систему, дугогасительную систему, привод расцепляющего устройства, расцепитель (прерыватель, прерыватели), вспомогательные контакты (необязательно).
Контактная система может быть трёхступенчатой (с главными, промежуточными и дугогасительными контактами), двухступенчатой (с главными и дугогасительными контактами) и одноступенчатой (при использовании металлокерамики).
Дугогасительная система может состоять из камер с узкими щелями или из камер с дугогасительными решётками. Комбинированные дугогасительные устройства — щелевые камеры в сочетании с дугогасительной решеткой — применяют для гашения дуги при больших токах.
Для каждого исполнения автоматического выключателя существует предельный ток короткого замыкания, который гарантированно не приводит к выходу из строя автомата. Превышение этого тока может вызвать подгорание или сваривание контактов. Например, у популярных серий бытовых автоматов при токе срабатывания 6-50 А предельный ток обычно составляет 1000—10 000 А.
Автоматические выключатели изготовляют с ручным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.
Привод автоматического выключателя служит для включения, автоматического отключения и может быть ручным непосредственного действия и дистанционным (электромагнитным, пневматическим и тому подобным).
Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, называемые прерывателями.
Расцепители
Электромагнитный расцепитель модульного автоматического выключателя General Electric G61
Биметаллическая пластина модульного автоматического выключателя General Electric G61
Схемы подключения прерывателей
Расцепители (прерыватели) — это электромагнитные, электронные, микропроцессорные или термобиметаллические элементы, служащие для отключения автоматического выключателя через механизм свободного расцепления при коротком замыкании, перегрузках и исчезновении напряжения в первичной цепи (непосредственно: электромагнитные и термобиметаллические элементы; либо косвенно через отдельный независимый электромагнитный расцепитель: электронные и микропроцессорные).
Механизм свободного расцепления состоит из рычагов, защелок, коромысел и отключающих пружин и предназначен для мгновенного отключения автоматического выключателя (вне зависимости от положения органа включения: невозможность удержания автоматического выключателя во включённом положении при срабатывании расцепителя), а также для устранения повторного включения автоматического выключателя на короткое замыкание при длительно существующей команде на включение.
Электромагнитный расцепитель (отсечка)
Расцепитель мгновенного действия представляет собой соленоид (7), подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога тока. Мгновенный расцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 2÷10 раз от номинала, в зависимости от типа (автоматические выключатели делятся на типы (классы) A, B, C и D в зависимости от чувствительности мгновенного расцепителя). В автоматических выключателях на большие токи начиная с 1970-х годов стали применять электронные расцепители (например, отечественные автоматические выключатели серии «Электрон», некоторые типы автоматов серий А-37, ВА), а в последнее время — и микропроцессорные расцепители (микропроцессорные блоки защиты)[3][4].
Тепловой расцепитель
Представляет собой биметаллическую пластину (5), нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока (время-токовая характеристика[5]) и может изменяться от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать[6] тепловой расцепитель, составляет 1,45 от тока уставки теплового расцепителя. Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом (6). В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины. Роль теплового расцепителя может выполнять электромагнитный (мгновенный) расцепитель, оснащённый гидравлическим замедлителем срабатывания. Такие автоматические выключатели отличаются пожаробезопасностью, так как не имеют нагреваемого элемента (биметаллической пластины).
Биметаллическая пластина представляет собой ленту из двух металлических полос с разными коэффициентами теплового расширения. В автоматическом выключателе она выполняет роль теплового расцепителя. Две полосы не сплавлены между собой и обычно скреплены с одного конца пайкой или сваркой. Другие концы закреплены неподвижно. Биметаллическая пластина включена в цепь последовательно с нагрузкой. В результате её нагревания электрическим током пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. В случае перегрузки изгиб пластины обеспечивает отключение автоматического выключателя[7].
Отключение
Отключение может происходить без выдержки времени или с выдержкой. По собственному времени отключения tс, о (промежуток от момента, когда контролируемый параметр превзошёл установленное для него значение, до момента начала расхождения контактов) различают нормальные выключатели (tс, о = 0,02-1 с), выключатели с выдержкой времени (селективные) и быстродействующие выключатели (tс, о < 0,005 с).
Нормальные и селективные автоматические выключатели токоограничивающим действием не обладают. Быстродействующие выключатели, так же как предохранители, обладают токоограничивающим действием, так как отключают цепь до того, как ток в ней достигнет значения Іу.
Селективные автоматические выключатели позволяют осуществить селективную защиту сетей путём установки автоматических выключателей с разными выдержками времени: наименьшей у потребителя и ступенчато возрастающей к источнику питания.
Характеристик Ток мгновенного расцепления (прерывания)
Согласно ГОСТ Р 50345-2010 (п.5.3.5), бытовые автоматические выключатели переменного тока делятся на следующие типы (классы) по току мгновенного расцепления:
тип B: свыше 3·In до 5·In включительно (где In — номинальный ток) (применяется для защиты линий освещения или линий имеющих большую протяженность)
тип C: свыше 5·In до 10·In включительно (применяется для защиты розеточных групп или линий с потребителями с повышенными пусковыми токами)
тип D: свыше 10·In до 20·In включительно (применяется для защиты трансформаторов или линий с потребителями с большими пусковыми токами)
Промышленные автоматические выключатели могут быть следующих типов:
тип L: свыше 8·In
тип Z: свыше 4·In
тип K: свыше 12·In
У европейских производителей классификация может несколько отличаться. В частности, имеется дополнительный тип A (свыше 2·In до 3·In).
Варианты исполнения
Модульный автоматический выключатель Автоматический выключатель, рассчитанный на небольшие токи, в настоящее время чаще всего имеет модульную конструкцию, которая предназначена для крепления на DIN-рейку. Внутреннее устройство модульного автоматического выключателя показано на рисунке справа. Включение-выключение производится рычажком (1), провода подсоединяются к винтовым клеммам (2). Защелка (9) фиксирует корпус выключателя на DIN-рейке и позволяет при необходимости легко его снять (для этого нужно оттянуть защелку, вставив плоскую отвёртку в петлю защелки). Коммутацию цепи осуществляют подвижный (3) и неподвижный (4) контакты. Подвижный контакт подпружинен, пружина обеспечивает усилие нажатия контактов во включённом состоянии и быстрое их отключение при срыве собачки механизма расцепления посредством одного из двух расцепителей: теплового (5) или электромагнитного (7). Во время расцепления контактов может возникнуть электрическая дуга, поэтому контакты имеют особую форму и находятся рядом с дугогасительной решёткой (8).
Автоматические выключатели в литом корпусе Литые автоматы — это силовые выключатели, заключенные в корпус из литого пластика или композитного материала. Такой корпус не только служит для защиты внутренних элементов от внешних воздействий, но и обеспечивает высокую устойчивость к механическим повреждениям, пыли и влаге. Это особенно важно в условиях эксплуатации, где оборудование подвержено экстремальным температурам, вибрациям и агрессивным средам.
В отличие от стандартных автоматов, литые выключатели характеризуются высокой прочностью и герметичностью, что делает их идеальным выбором для применения в промышленных и энергетических объектах. Их компактность и модульность позволяют эффективно использовать пространство в распределительных щитах, а возможность настройки параметров защиты делает их универсальными для различных задач.
Принцип модульного построения выключателей в литом корпусе дает возможность самостоятельно встраивать дополнительные аксессуары и расширять ряд функций аппарата защиты в соответствии с потребностями и требованиями по организации защиты электрической сети. Дооснастить аппарат может сам заказчик уже после непосредственного приобретения автоматического выключателя, то есть потребителю не нужно заказывать необходимое исполнение аппарата у завода-изготовителя.
Аксессуары позволяют управлять автоматическими выключателями дистанционно, а также получать информацию о текущем состоянии аппарата. Применяя специальные комплекты, можно получить исполнения выключателей втычного или выдвижного типа.
Принцип каскадирования или легальный способ сэкономить
Этот принцип позволяет устанавливать нижестоящие выключатели с меньшей отключающей способностью, если «выше» установлен токоограничивающий автоматический выключатель. Заводы-изготовители предоставляют соответствующие таблицы каскадирования и дают гарантию надежности защиты при такой компоновке аппаратов в защищаемой сети. Это позволяет потребителю существенно экономить средства, оставаясь уверенным в качественной защите собственной электрической сети.
Воздушный автоматический выключатель (силовой автоматический выключатель) "Воздушник" — электрический аппарат, который способен включать, проводить и отключать электрический ток. Автоматическое отключение электрической цепи происходит при перегрузках и коротком замыкании. Отключение токов перегрузки и короткого замыкания автоматическим выключателем должно производиться в соответствии с заданными времятоковыми характеристиками.
Современный автоматический выключатель (автомат) должен отвечать, прежде всего, двум требованиям: надежно защищать электроприемники в аварийных режимах от короткого замыкания и перегрузки, а также быть удобным и безопасным в эксплуатации на протяжении всего срока службы. Эти требования также учитывают специфику применения отдельного взятого выключателя, такую, как частота переключений, повышенные требования к виброустойчивости, свободному пространственному положению, агрессивная внешняя среда, ускоряющая коррозию металла, а также влияние температуры и влажности окружающей среды.
Надежная работа автоматического выключателя по предотвращению коротких замыканий и перегрузок увеличивает срок службы электроприемников за счёт ограничения тепловых и электродинамических воздействий на них, а также предотвращает технологические потери, которые могут быть вызваны перерывом электроснабжения, что, в свою очередь может нанести косвенный ущерб, в том числе репутационный.