11.1. Причины возникновения перегрузок сети и коротких замыканий
Защита от последствий короткого замыкания
Для защиты от возгорания при КЗ или перегрузке в электросети устанавливаются автоматические выключатели, пробки. Принцип их действия и устройство подробно рассмотрены далее.
Рассмотрим, откуда может возникнуть КЗ? Естественно поставить перед собой вопрос: в чем проявляется нагрузка, например, проводов? Что может перегружаться и изнашиваться, если нет механического движения? Что и от чего нужно защищать? Чтобы ответить на эти вопросы, вспомним, как включена лампа. К ней присоединены два провода. По одному из них ток подходит к нити, по другому — возвращается в сеть. Чтобы направить ток именно по этому пути, провода друг от друга изолированы.
Мы можем безопасно вводить в наши квартиры электроэнергию, включать и отключать лампы и приборы по нашему усмотрению именно потому, что в электросети применяются не только проводники и не только изоляция, а правильное и глубоко продуманное сочетание тех и других. Без проводников нельзя подвести ток к лампам и приборам. Без изоляции (резина, пряжа, бумага, пластмасса) нельзя ни направлять электроэнергию по нужным путям, ни выключать ток.
Изнашивается в электроприборах и проводке в основном изоляция. Резина, например, высыхает, растрескивается и осыпается, пряжа и бумага обугливаются, пластмассы оплавляются и размягчаются. Но все это происходит при достаточно высокой температуре. Пока эта температура не превышена (для резины, например, 65 °C), изоляция работает устойчиво надежно и служит достаточно долго.
Причиной повышения температуры изоляции является нагрев проводников, которые она окружает. А проводники нагреваются потому, что проходящий через них ток преодолевает их электрическое сопротивление, на что расходуется электроэнергия, которая и переходит в теплоту.
Температура одного и того же провода зависит от силы тока, проходящего по нему, называемого в электротехнике нагрузкой. Чем нагрузка больше, тем провод горячее. Ток не должен нагревать провод выше допустимой температуры. Ток, вызывающий чрезмерный нагрев, является перегрузкой.
Нужно знать, что перегрузки очень резко сокращают срок службы. Достаточно, например, всего на 10 °C повысить температуру катушки электромагнита по сравнению с расчетной, чтобы срок ее службы сократился вдвое. При больших перегрузках изоляция быстро разрушается (перегорает) и между проводами возникает короткое замыкание.
С крайней опасностью перегрузок и КЗ столкнулись еще первые электротехники. Поэтому в числе самых первых, самых необходимых аппаратов (рубильников, патронов) были созданы и простейшие предохранители — приспособления, автоматически прерывающие ток при длительных перегрузках и практически мгновенно — при коротких замыканиях.
Чтобы разобраться, на чем основана защита, и как содержать ее в исправном состоянии, нужно отдать себе отчет во взаимной связи некоторых явлений.
Количество теплоты и температура
Количество теплоты, выделяющейся в проводнике при прохождении по нему тока, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Значит, чем дольше включены лампы, приборы, провода, тем больше теплоты в них выделяется. При этих условиях, казалось бы, и температура должна непрерывно возрастать. Однако из повседневного опыта каждый знает, что это не так.
Накал лампы не увеличивается с течением времени, плитка при включении в сеть действительно накаляется постепенно, но, достигнув определенного накала, больше не разогревается. В чем же здесь дело?
Дело в том, что одновременно с нагреванием всегда происходит охлаждение, причем, чем выше температура, тем охлаждение интенсивнее. Поэтому рост температуры постепенно замедляется и, наконец, при некоторой температуре, наступает равновесие: сколько теплоты выделяется, столько же и отводится.
Как же поступить, если температура слишком высока, а нагрузку снизить нельзя? Здесь есть два пути: либо улучшить охлаждение, либо уменьшить количество выделяющейся теплоты. Но так как устраивать вентиляцию для охлаждения проводов и приборов практически невозможно, то идут по второму пути. При этом уменьшать можно только сопротивление, но не ток (это значило бы ограничить величину потребления электроэнергии) и не время (это значило бы отключить потребителей раньше, чем нужно).
А уменьшить сопротивление можно просто: либо вместо алюминиевых проводов взять медные, так как медь лучше проводит электричество, либо увеличить поперечное сечение проводов. Так обычно и поступают, руководствуясь нормами, где указаны предельные нагрузки для проводов каждого сечения.
Температуры различных частей одной и той же цепи
На рис. 11.1 изображена электрическая цепь, во всех частях которой, т. е. и через провода и через лампу, проходит один и тот же ток. Однако нить лампы раскалена до 2500 °C, а провода холодные. Почему?
Рис. 11.1. Схема цепи питания лампы накаливания
Потому что, во-первых, сопротивление нити велико (1936 Ом), а проводов мало (2,5 Ом). Значит, в нити выделяется в 1936: 2,5 = 775 раз больше теплоты. Во-вторых, масса нити мала и сосредоточена в небольшом пространстве, масса проводов значительно больше и провода растянуты на 100 м. Значит, нить охлаждается плохо, а провода хорошо. Одним словом, в одной и той же цепи могут быть участки, имеющие различные температуры.
11.2. Ввинчиваемые автоматические выключатели ПАР с резьбой Е-27
Особенности автоматических выключателей
Автоматические выключатели (автоматы), например, серии ПАР (рис. 11.2), пришли на смену ввинчивающимся пробкам. Поэтому они имеют такую же резьбу Е-27, как у пробок. Они не требуют замены элементов электросети при отказе от использования пробок.
Рис. 11.2. Общий вид автоматического резьбового предохранителя серии ПАР
ПАР 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. Автоматические выключатели относятся к защитным устройствам многократного действия.
Включают цепь автоматическим 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:
♦ срабатывают надежнее, чем плавкие предохранители;
♦ при защите трехфазного устройства устраняется возможность его работы в неполнофазном режиме, так как при перегрузках и коротких замыканиях отключаются сразу же все три фазы;
♦ 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:
♦ обеспечивать, не перегреваясь и не окисляясь, продолжительный режим работы при номинальной силе тока;
♦ не повреждаясь, отключать цепь при токах короткого замыкания.
Виды применяемых расцепителей и характеристики автоматов
Конструкции автоматических выключателей различаются расцепителями — 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.
#s.jpg_34 Совет.
Силу тока уставки теплового расцепителя выбирайте 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).
#s.jpg_34 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 регулироваться. Установка на ток мгновенного срабатывания, или ток отсечки, означает, что при данном токе срабатывает электромагнитный расцепитель 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.
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. 11.3).
Рис. 17.3. Работа ПАР в штатном режиме
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:
♦ 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. 11.4;
Рис. 11.4. Работа ПАР при значительной нагрузке
♦ 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.
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. 11.10. 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:
♦ сердечник мгновенно втягивается вниз (рис. 11.5);
Рис 17.5. Работа ПАР при коротком замыкании в защищаемой сети
♦ защелка поворачивается вокруг оси О1 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 времени 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 отключений.
Пружина определяет необходимое положение защелки и сердечника электромагнита. Пружина создает контактное нажатие.
11.3. Современные автоматические выключатели, устанавливающиеся на DIN-рейку
Устройство современного автоматического выключателя
Автоматический выключатель тока — это механический аппарат, который в нормальном состоянии способен включать, отключать и проводить токи, а при аномальных состояниях цепи (короткое замыкание, нагрев линии) автоматически отключать токи или проводить в течение заданного времени, в зависимости от характеристики тока мгновенного расцепления.
#p.jpg_85 Примечание.
Автомат защищает не нагрузку (от замыканий или других проблем). Автомат защищает питающую линию (кабель)! Это необходимо запомнить! Автомат не влияет на то, что стоит после кабеля. Задача автоматического выключателя— спасти кабель от перегрузки, перегрева, КЗ и возгорания.
Рассмотрим устройство автоматического выключателя на примере модульного автомата (автоматического выключателя), как наиболее часто применяемого быту для управления и защиты от коротких замыканий и перегрузок электропроводки. Устройство автоматических выключателей, независимо от номиналов, практически одинаково (рис. 11.6). Поэтому рассмотрим его типовой вариант.
Рис. 11.6. Устройство современного автоматического выключателя
Корпус автоматического выключателя выполнен из пластика, не поддерживающего горение. Под воздействием высокой температуры, это материал может оплавиться, может потерять свою форму, но он не горит и даже при сильном нагреве не может стать источником возгорания.
Контактная пара состоит из неподвижного и подвижного контакта. Форма и материал его тщательно подбираются, исходя из требуемого режима работы. Катушка электромагнитного расцепителя имеет необходимое сечение провода и требуемое количество витков для расчетного тока срабатывания в режиме короткого замыкания.
Рычаг управления позволяет включать и отключать автоматический выключатель. Дугогасящая камера вступает в работу только в экстремальных ситуациях, когда при разрыве контактов возникла мощная электрическая дуга, и ее энергию необходимо погасить.
Биметаллическая пластина служит, своего рода измерительным инструментом, и определяет силу тока, текущего в линии.
Регулировочный винт предназначен ТОЛЬКО для заводских настроек. Именно при его помощи возможна точная подстройка автоматического выключателя на заданные номиналы срабатывания. Для подсоединения линии к автоматическому выключателю предназначены винтовые зажимы.
Принцип действия автоматического выключателя
Принцип действия автоматического выключателя достаточно прост. Хотя технология изготовления качественных автоматов сложна. При включении автомата напряжение, подаваемое на нижнюю винтовую клемму (рис. 11.13), проходит через биметаллическую пластину (ТЕПЛОВОЙ РАСЩЕПИТЕЛЬ) и через катушку ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАСЦЕПИТЕЛЯ, поступая на подвижный контакт.
Далее, через неподвижный контакт, напряжение поступает на верхнюю винтовую клемму, к которой подключается «отходящий» провод — нагрузка.
Защитное отключение автоматического выключателя происходит при срабатывании механизма расцепления, приводя к размыканию подвижного контакта.
Механизм расцепления, в зависимости от силы проходящего тока или времени превышения допустимого уровня тока, может быть приведен в действие двумя способами.
1. Срабатывает ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЩЕПИТЕЛЬ. При КЗ (коротком замыкании) и значительном резком увеличении тока, проходящего через автомат, образуется электромагнитное поле, которое втягивает сердечник. Это приводит в действие механизм расцепления.
2. Срабатывает ТЕПЛОВОЙ РАСЦЕПИТЕЛЬ.
Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При длительном прохождении через автоматический выключатель токов со значениями, превышающими допустимые, происходит постепенный нагрев биметаллической пластины. При этом биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока и может изменяться от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать тепловой расцепитель, составляет 1,45 от номинального тока предохранителя. Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом.
#p.jpg_86 Примечание.
В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.
Из-за больших токов в ряде случаев при расцеплении контактов образуется дуга. Для ее нейтрализации в устройство автоматического выключателя обязательно входит дугогасящая камера. Она представляет собой набор металлических пластин особой формы, закрепленных параллельно.
В качестве дополнительной защиты от прогорания корпуса автоматического выключателя применяется специальная металлическая пластина, расположенная под контактной парой.
#o.jpg_45 Внимание.
При замене автоматического выключателя никогда не увеличивать номинал тока, который был указан на предыдущем автомате, или прописан в проекте или схеме.
Это очень важно, так как автоматический выключатель должен сработать при аварийной ситуации, а не стать самим источником ее. Чтобы автоматический выключатель прослужил долго — его надо правильно установить. Обычно все проблемы возникают только от плохо затянутых контактов.
#p.jpg_86 Примечание.
Периодическая инспекция электрического щита, выявление мест локального нагрева и протяжка контактов позволит избежать проблем с электроснабжением.
Разновидности автоматов защиты по количеству полюсов
Структурная схема однополюсного автоматического выключателя представлена на рис. 11.7.
Рис. 11.7. Структурная схема однополюсного автоматического выключателя
Однополюсный автоматический выключатель (рис. 11.8) характеризуется наличием двух клемм, к которым подключаются входящий и отходящий токонесущие провода. Обычно клеммы находятся на разных сторонах автомата. Это сделано:
♦ для максимального удаления клемм друг от друга в связи с технологией изготовления автоматического выключателя;
♦ для облегчения монтажа автомата и его электрического подключения в схему электропитания.
Рис. 11.8. Внешний вид однополюсного автоматического выключателя
Однополюсные автоматы применяются для защиты фазного провода, в основном в однофазных двухпроводных линиях электропитания.
Двухполюсный автоматический выключатель (рис. 11.9) имеет две пары клемм для подключения питания и нагрузки, расположенных, обычно, на разных сторонах автомата по технологическим причинам и с целью облегчения монтажа схем электроавтоматики.
Рис. 11.9. Внешний вид двухполюсного автоматического выключателя
Двухполюсные автоматы применяются для защиты однофазных двухпроводных электропроводок, защищая как фазный провод одним полюсом, так и нейтральный провод другим полюсом, хотя возможно их применение и для защиты двух фазных проводов двухпроводных однофазных проводок, в тех случаях, когда необходимо их одновременное обесточивание в случае аварийной ситуации.
Трехполюсный автоматический выключатель (рис. 11.10) имеет три пары клемм, три клеммы для подключения питания и три для подключения нагрузки. Они также располагаются на разных сторонах автомата по технологическим причинам и с целью облегчения монтажа схем электроавтоматики.
Рис. 11.10. Внешний вид трехполюсного автоматического выключателя
Трехполюсные автоматы применяются для защиты трехфазных электроцепей и трехфазных нагрузок, за исключением случаев их применения в качестве вводных автоматов, при котором трехфазная сеть, после трехполюсного автомата преобразуется в три однофазных проводки.
Так же возможны другие, но еще более экзотичные виды применения трехфазных автоматов, когда один из полюсов автомата (например, первый) является выключателем для двух других, к которым подключены электроприборы, обязанные прекратить работу, в случае аварийной ситуации на первом полюсе.
Четырехполюсный автоматический выключатель (рис. 11.11) обладает максимальным в классе количеством клемм подключения питания и нагрузки, 4 на 4. Основное применение — защита трехфазных электропроводок и нагрузок. Четырехполюсный автомат позволяет реализовать еще большее количество разных схем подключения, чем трехполюсный и двухполюсный автоматы.
Рис. 11.11. Внешний вид четырехполюсного автоматического выключателя
Четырехполюсный автомат также может использоваться вместо трех-, двух- и однополюсного автоматического выключателя путем подключения только нужного количества полюсов, те подключая только необходимое количество пар проводов, что экономически не выгодно, однако дает некоторую свободу маневра.
Времятоковые характеристики срабатывания по электромагнитному расщепителю
Электромагнитный расцепитель предназначен для защиты от короткого замыкания. В атом случае ток в линии будет очень большим по сравнению с обычной перегрузкой (в десятки раз), и линию надо отключить мгновенно. Для этого используется обычный электромагнит: катушка с проволокой и сердечник, который приводит в действие механизм автомата, заставляя его выключиться. Пошел огромный ток — электромагнит втянулся, отрубил линию.
Практика показывает, что когда запускается пылесос или зажигается люстра с лампами накаливания, в линии происходит довольно большой бросок тока, в несколько раз превышающий номинальный ток автомата защиты. При этом автомат должен бы отключиться. Но этого не происходит. Кратность пусковых токов некоторых потребителей электроэнергии приводится в табл. 11.1, а номинальная потребляемая мощность бытовых приборов и инструмента — в табл. 11.2.
Разработчики автоматов придумали так называемую «времятоковую характеристику автомата». Для простоты ее часто называют «характеристикой автомата», или просто «характеристикой» или «категорией отключения». Характеристика срабатывания размыкающих устройств автоматических выключателей выбирается в зависимости от типа подключаемой нагрузки.
Обозначается она на корпусе буквой (на рис. 11.12 — буква С) перед номиналом автомата: А (только у европейский производителей), В, С, D, К и Z. Эта характеристика определяет ток и время, при которых будет срабатывать электромагнитный расцепитель автомата. Вот три основных варианта.
Рис. 11.12. Обозначения на корпусе автомата защиты
Характеристика срабатывания типа В самая чувствительная и показана к применению в квартирах и жилых зданиях, где нагрузки больше активные, а какие-нибудь мощные двигатели включаются редко.
Рекомендуется использовать для осветительных сетей общего назначения. Допускает кратковременное превышение номинала в 3–5 раз!
Характеристика срабатывания типа С — самая распространенная и годится для общих случаев: служат для размыкания осветительных цепей и установок с умеренными пусковыми токами (двигатели и трансформаторы).
При этом у выключателей с характеристикой типа С перегрузочная способность магнитного размыкателя почти вдвое выше по сравнению с выключателями с характеристикой типа В. Допускает кратковременное превышение номинала в 5-10 раз!
Характеристика срабатывания типа D рекомендуется для сетей, предусматривающих питание станков, больших моторов и прочих устройств, где могут быть большие перегрузки при их включении, также в цепях с активно-индуктивной нагрузкой. Допускает кратковременное превышение номинала в 10–20 раз!
#p.jpg_87 Примечание.
Так вот оказывается, что представленные на рис. 11.12 автоматы С16 имеют диапазон токов, при котором они отключаются мгновенно (~ 0,1 с), не 16 А, а 80-160 А Этот параметр задан буквой «С».
Для наглядности эти характеристики для автоматов приводятся в виде графиков (рис. 11.13).
Рис. 11.13. Наиболее распространенные времятоковые характеристики автоматов защиты
(Характеристики срабатывания автоматических выключателей В и С согласно DIN VDE 0641 и D согласно IEC 947-2 )
Автоматы с остальными характеристиками используются редко. Автоматические выключатели с характеристикой срабатывания типа А предназначены для размыкания цепей с большой протяженностью электропроводки и для защиты полупроводниковых устройств. Для подключения индуктивной нагрузки рекомендуется использовать автоматические выключатели с характеристикой срабатывания типа К. Если в качестве нагрузки используются электронные устройства, их подключение лучше производить через автоматические выключатели с характеристикой срабатывания типа Z.
#p.jpg_87 Примечание.
Подавляющее большинство автоматов на российском рынке предлагается с характеристикой типа С , с характеристикой типа В продаются, как правило, автоматы на малые токи, остальные — поставляются в основном под заказ.
Параметры срабатывания линейных защитных автоматов согласно DIN VDE 0641 и IEC 60 898 приведены в табл. 11.3.
Из табл. 11.3 следует, что трехкратную перегрузку автоматический выключатель с характеристикой типа В должен как минимум выдерживать 0,1 с, а при пятикратной перегрузке встроенное электромагнитное реле должно отключить автоматический выключатель менее чем за 0,1 секунду.
#o.jpg_46 Внимание.
При использовании в цепи постоянного тока характеристики максимального испытательного тока электромагнитного расцепителя изменятся (рис. 11.14).
Рис. 11.14. Характеристики срабатывания автоматических выключателей для постоянного и переменного тока
Граничные значения испытательных токов электромагнитного расцепителя при переменном (50 Гц) и постоянном токах представлены в табл. 11.4.
Времятоковые характеристики срабатывания по тепловому расщепителю
Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления.
Время срабатывания зависит от тока и определяется времятоковой характеристикой срабатывания (тоже типы В, С, D). Время может быть разным: от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать тепловой расцепитель, составляет 1,45 от номинального тока предохранителя. Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом. В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.
Параметры срабатывания по тепловому расцепителю автоматов защиты представлены в табл. 11.5.
Из табл. 11.5 следует, что при перегрузке до 13 % номинального тока, автоматический выключатель должен отключиться не ранее, чем через час (т. е. выдерживать перегрузку 13 % минимум в течение часа). При перегрузке до 45 % тепловое реле должно отключить «автомат» в течение часа.
#p.jpg_88 Примечание.
При использовании в цепи постоянного тока характеристики срабатывания теплового расцепителя остаются теми же, что и в сетях переменного напряжения.
Особенности работы тепловых расцепителей многополюсных автоматических выключателей
Тепловые расцепители, используемые в автоматических выключателях, чувствительны к нагреву от посторонних источников. В практике нередко случается, что расцепитель промежуточного полюса при номинальном режиме отключается только из-за нагрева соседних полюсов. Это приводит к ограничению области его работы и к коррекции номинального тока с учетом графика (рис. 11.15). На графике Кн = I/Iн — это коэффициент нагрузки; N — количество полюсов автоматического выключателя.
Рис. 11.15. Нагрузочная способность автоматических выключателей при их размещении рядом
Особенности работы тепловых расцепителей автоматических выключателей, установленных в ряд один за другим
Установленные рядом автоматы защиты оказывают влияние друг на друга, т. к. при работе их биметаллические пластины греются проходящим через них током. Даже если он не превышает допустимой нормы. В итоге это тепловое влияние обусловливает при расчете допустимой нагрузки специальный поправочный коэффициент Кп представленный в табл. 11.6.
Влияние окружающей температуры на тепловое срабатывание автоматического выключателя
Нагрузочная характеристика большинства автоматических выключателей зависит от температуры окружающей среды: при ее снижении коэффициент нагрузки увеличивается, при повышении — падает. Это ограничивает возможность их использования в условиях жесткого температурного режима эксплуатации, особенно в горячих цехах или в условиях открытого воздуха. Для наглядности приведен оценочный график такой зависимости (рис. 11.16).
Рис. 11.16. Нагрузочная способность автоматических выключателей в зависимости от температуры окружающей среды
В табл. 11.7 приведены уточненные значения расчетного тока в зависимости от окружающей температуры. Приведенные в столбце «30 °C» токи соответствуют номинальным токам автоматического выключателя, так как при этой температуре задается режим срабатывания.
Рабочее напряжение автоматического выключателя
Применение автоматического выключателя, как любого электрического прибора, обуславливается напряжением питающей его сети. Маркировка, обозначающая рабочее напряжение автомата, является обязательной и выносится на переднюю поверхность.
Для модульных автоматов она может быть 220, 230, 250, 380, 400, обозначая соответствие 220 В и 380 В (см. ранее рис. 11.12).
Кроме указания рабочего напряжения, в том же блоке маркировки указывается вид тока, для которого работы с которым данный автомат предназначен. Наиболее часто встречающимся обозначением, указанным на изображении, является ~, обозначающим переменный ток.
Предельный ток короткого замыкания автоматического выключателя
Предельный ток короткого замыкания автомата является важной характеристикой для применения автоматов. Данная характеристика определяет максимальный ток, при протекании которого через автомат, автоматический выключатель сможет разомкнуть цепь хотя бы один раз (см. ранее рис. 11.19, указан предельный ток 6000 А).
Эта характеристика показывает максимальный ток, при котором подвижный контакт автомата не приварится (не пригорит) к неподвижному контакту вследствие возникновения и гашении дуги при размыкании контактов.
Предельный ток короткого замыкания может достигать 10000 А. При этом ширина модуля (полюса) такого мощного выключателя больше в 1,5 раза, по сравнению с обычным автоматом, и составляет 27 мм.
Наиболее часто встречающиеся модульные автоматы имеют характеристику 4500 А. Этого достаточно, так как в бытовых электросетях токи короткого замыкания обычно не достигают более высоких значений, что связано с устаревшей инфраструктурой.
Существуют так же автоматы и с другими предельными токами короткого замыкания автомата, например, 3000 А, которые широко применялись в конце 90 годов, а также устаревшие автоматы на 2000 А, которые уже не производящиеся.
Если защищаемая линия проводки находится близко от подстанции (что часто бывает на производственных площадках), то ток КЗ может быть высок. Там часто применяют 10000 А автомат. Если автомат защищает электропроводку в «свежепостроенном» доме с новой (своя подстанция) и достаточной мощности электрической инфраструктурой, предпочтительно использовать 6000 А автомат.
В других случаях вполне достаточно 4000 А автомата для реализации экономически эффективной электрозащиты.
#p.jpg_89 Примечание.
С повышением предельного тока короткого замыкания от 4500 А до 10000 А стоимость автомата увеличивается, а возможность его купить — уменьшается, в связи с меньшим применением таких автоматов. Выбирайте 6000 А, не ошибетесь.
Расчет автоматического выключателя при формировании квартирного щитка
Во-первых, определяемся с нагрузками каждой линии, которые нам надо питать. Сколько они потребляют по мощности, и, следовательно, ток какой величины будет течь через их питающую линию.
Для пересчета тока в мощность можно использовать самую обычную формулу:
P = U∙I,
где Р — мощность, U — напряжение сети (220 В в нашем случае), а I — ток.
Для тока будет так: I = P/U.
#p.jpg_89 Примечание.
Данная формула справедлива только для резистивных нагрузок типа ламп накаливания, нагревателей и пр. Но на этот факт закроем глаза, т. к. мы делаем прикидочный расчет.
Во-вторых, определяемся с видом и сечением кабеля. Смотрим на общий суммарный ток, который нам требуется, и выбираем необходимый кабель по сечению:
♦ для открытой прокладки кабеля считаем, что необходим 1 мм2 кабеля на каждые 10 А;
♦ для скрытой прокладки кабеля считаем, что необходим 1 мм2 кабеля на каждые 8 А. Рассчитываем сечение и округляем его в сторону ближайшего из стандартного ряда: 1,5; 2,5; 4; 6; 10.
Автомат выбираем на меньший ток срабатывания, чтобы он отключился раньше, чем выйдет из строя наш кабель.
В-третьих, при расчете и выборе автомата защиты учитываем рас-
смотренные на несколько страниц ранее времятоковые характеристики
срабатывания как по электромагнитному, так и тепловому расцепителю.
В-четвертых, следует помнить, что для безопасной эксплуатации электропроводки нужно выбирать:
♦ для кабеля на 1,5 мм2 автомат не более 10 А;
♦ для кабеля на 2,5 мм2 автомат не более 16 А;
♦ для кабеля на 4 мм2 автомат не более 25 А;
♦ для кабеля на 6 мм2 автомат не более 32 А.
Подробности и нюансы расчета автоматических выключателей в комплексе с остальными параметрами сети см. в главе «Электросеть многоквартирного дома», раздел «Расчеты квартирной электросети».