Принцип работы трехфазного автоматического выключателя

Автоматический трехполюсный выключатель: устройство, принцип работы

Электрическое оборудование стабильно работает в штатном режиме при условии обеспечения номинальных параметров тока в сети. Но при коротком замыкании или в результате перегрузки сети возникает угроза разрушения электропроводки, создаются условия для выхода из строя электроприборов. Для защиты проводки и электрооборудования в трехфазных сетях, применяют автоматический трехполюсный выключатель, обеспечивающий безопасность локальных цепей.

Это коммутационное устройство может отключать номинальные токи в ручном режиме или автоматически разрывать перегруженные либо аварийные линии. Особенность работы трёхполюсного выключателя в том, что он одновременно коммутирует все три фазы, что очень важно для защиты электромоторов. В отличие от плавкой вставки, трёхполюсники рассчитаны на многократное срабатывание и обладают стабильностью уставки, заложенной в конструкции прибора.

Устройство

Автоматический выключатель конструктивно состоит из трёх автоматов, объединённых в одно устройство (модульная конструкция). Каждый автомат, независимо от других, реагирует на аномальные отклонения токов, однако, благодаря планке, соединяющей рычажки управления, замыканий цепей или их размыкание происходит одновременно по трём фазам. На рисунке 1 показано фото типичного модульного выключателя.

Рис. 1. Трёхполюсный автомат

Существуют конструкции, в которых механизмы заключены в один корпус, с одним рычагом управления. Такое строение характерно для мощных промышленных трёхполюсных автоматов.

Рассмотрим устройство трёхполюсного автомата на примере модульного бытового автоматического выключателя (см. рис. 2).

Рис. 2. Конструкция автоматического выключателя

Конструктивные узлы:

• силовые контакты;
• дугогасительный механизм;
• расцепители (устройства для разъединения контактов);
• механизм взвода;
• рычаг управления;
• клеммы полюсов автомата для подключения проводов.

Расцепители бывают тепловыми и электромагнитными. Чаще всего применяются в комбинации. Силовые контакты расположены в дугогасительной решётчатой или щелевой камере. В мощных выключателях используют комбинированные камеры, сочетающие в себе решётчатые и щелевые конструкции.

Возле контактов может быть вмонтирована пластиковая вставка, которая при испарении выделяет газы, используемые для гашения дуги. Поток раскалённых газов или воздуха проходит через дугогасительную камеру и выходит в атмосферу по специальному каналу для отвода выпускных паров.

Для защиты цепей используются разные виды трёхполюсных выключателей, но их устройство существенно не отличается от конструкции приведённой выше.

На схемах устройства изображаются так, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Изображение на схемах

Механизмы расцепления

Исполняющим элементом конструкции является механизм расцепления, который состоит из коромысел, рычагов, пружин и защёлок, обеспечивающих мгновенное размыкание электрической цепи. Этот механизм приводят в действие расцепители, которые по принципу действия делятся на типы:

• термобиметаллические – пластины с памятью;
• электромагнитные – соленоид с сердечником;
• электронные, управляемые полупроводниковыми элементами;
• микропроцессорные, на базе интегральных микросхем.

Напоследок заметим, что в некоторых промышленных образцах выключателей применяются электромеханические, электромагнитные, пневматические и другие типы приводов для управления автоматами. Это позволяет персоналу включать либо отключать устройства дистанционно.

Принцип работы

В рабочем состоянии автоматического выключателя его контакты находятся в замкнутом положении. Номинальные токи свободно протекают через автомат. В таком состоянии устройство находится до тех пор, пока его не выключит оператор или токи нагрузки не превысят наперёд заданных значений.

Возможны два случая:

1. Отключение в результате КЗ (происходит без выдержки времени).
2. Разрыв цепи вследствие её перегрузки, которая длится дольше заданного промежутка времени.

При коротком замыкании резко возрастает ток в защищаемой электрической сети, в результате чего срабатывает электромагнитный расцепитель, приводя в действие рычаги механизма расцепления. В течение 0,01 – 0,02 секунды происходит обесточивание проводки. За такой короткий промежуток времени она провода не успевают сильно нагреться.

Благодаря наличию дугогасительной камеры исключена возможность протекания тока по плазменному каналу разряда. Это, во-первых, защищает контакты от выгорания и залипания, а во-вторых – сводит к минимуму время отключения аварийного участка электрической сети.

Параметры срабатывания электромагнита рассчитаны на аварийные токи. Однако, на превышение номинальных токов в результате перегрузок, создаваемых потребителями, данное устройство не реагирует. В таких случаях для защиты проводки используется биметаллический расцепитель.

Он работает по принципу: при возрастании нагрузки в течение определённого периода (промежуток времени задаётся производителем) нагреваются биметаллические пластины. Если нагрузка не уменьшается, одна из пластин начинает изгибаться, приводя в действие коромысло, связанное с рычагом механизма расцепления. Под усилием пружины происходит скачкообразное срабатывание защиты. Повторное включение возможно только после остывания теплового расцепителя.

В случае, когда перегрузка была кратковременной (например, при запуске электромотора), пластина не успевает нагреться. При возвращении параметров электрической сети к норме, трёхполюсный выключатель продолжает работать в штатном режиме.

Тепловые уставки регулируются винтом (см. рис. 2). При необходимости можно, в небольших пределах, изменить стандартные регулировки. Изменение уставок позволяет изменить чувствительность трёхполюсного выключателя, что иногда бывает полезно, при ложных срабатываниях защиты. Но имейте ввиду – такие действия оправданы лишь в том случае, когда вы уверены в том, что ваша электропроводка способна выдержать повышенные нагрузки локальной сети.

В некоторых моделях функции тепловых контактов могут выполнять электромагнитные реле, оборудованные гидравлическими замедлителями. Их преимущество в том, что нет надобности в ожидании остывания пластин для повторного включения. Недостаток – ограниченное время срабатывания. Если нагревание пластины может длиться от нескольких секунд до часа (при умеренных перегрузках), то электромагнит с замедлителем отключит питание гораздо быстрее.

Технические характеристики

График на рисунке 4 прекрасно иллюстрирует критичные характеристики выключателей типов B, C, D.

Рис. 4. График срабатывания защиты

Обратите внимание на зоны защиты от перегрузок и от КЗ. Зона B характерна для выключателей, применяемых в защите линий освещения или очень протяжённых линий. Отключение происходит в течение 7 – 15 секунд, при достижении током величины, кратной номинальному: от 3·I_n до 5·I_n,где I_n – номинальный ток.

В зоне C тепловая защита сработает в течение 0,5 – 1,5 с, при достижении нагрузки от 5·I_n до 10·I_n. Применяется в линиях с умеренными пусковыми токами.

Зона D – Это уже электромагнитная защита от КЗ. Время отключения 0,01 – 0,02 с.

Промышленные автоматы типа Z, L, K, имеют параметры теплового отключения от 8·I_n до 12 ·I_n.

Приводим таблицу основных характеристик некоторых типов трёхполюсных автоматических выключателей серии А3700.

*ПКС – предельное значение тока, с которым выключатель может справиться несколько раз.

**ОПКС – критическая величина тока, отсекаемого автоматическим выключателем не более 1 раза.

Область применения

Основное назначение автоматических трёхполюсных выключателей – защита электрических линий от перегрузок и КЗ, а также трёхфазного электрооборудования. Массовое применение автоматы нашли на производстве, где используются различные станки и прочее оборудование с электроприводом.

В бытовых электросетях выключатели применяются реже, так как в основном используется однофазная сеть. Но если кто-то пользуется трёхфазной сетью, то для защиты проводки целесообразно применять трёхполюсные выключатели модульной конструкции. Такие устройства компактные, надёжные, имеют удобное крепление.

Видео по теме

Источник



Правильный расчёт автомата на 380 В по мощности

Современные системы защиты электропроводки от перегорания и воспламенения подразумевают использование автоматических выключателей и разделяются по типу сети на однофазные и трёхфазные. В частном секторе в большинстве случаев используются приборы второго типа, поэтому актуальным становится правильный расчёт автомата по мощности для 380 вольт, обеспечивающий надёжность и долговечность использования электрической сети.

Назначение и работа

Первое автоматическое устройство, предназначенное для защиты электрической цепи от сверхтоков, было изобретено американским учёным, изучающим электромагнетизм, Чарльзом Графтоном Пэджем в 1836 году. Но лишь через 40 лет подобная конструкция была описана Эдисоном. Современный же тип защитных устройств был запатентован в 1924 году корпорацией Brown, Boveri & Cie из Швейцарии.

Новаторством конструкции стала многоразовость использования благодаря возможности включения модуля при его срабатывании нажатием одной кнопки. Преимущества по сравнению с плавкими предохранителями были неоспоримыми, при этом и точность работы автомата была намного лучше. При использовании устройства в сети, рассчитанной на 380 вольт, происходит отключение сразу всех фаз. Такой подход позволяет избежать перекоса уровней сигналов и возникновения перенапряжений.

Прямое назначение трёхфазного автоматического выключателя состоит в отключении линии при возникновении в ней короткого замыкания или превышения потребляемой мощности приборами. Модули защиты относятся к группе коммутационного оборудования и благодаря простым конструкциям, удобству использования и надёжности они широко применяются как в бытовых, так и в промышленных энергетических сетях. Обычно устройство предполагает ручное управление, но некоторые типы комплектуются электромагнитным или электродвигательным приводом, дающим возможность управлять ими дистанционно.

Некоторые пользователи ошибочно предполагают, что автомат защищает подключённые к нему приборы, но на самом деле это не так. Он никак не реагирует на виды и типы приборов, подключаемых к нему, а единственной причиной его срабатывания является перегрузка и появление сверхтока. При этом, если автомат не отключит линию, электропроводка начнёт нагреваться, что приведёт к её повреждению или даже воспламенению.

Выбор автоматического модуля защиты связан с возможностями электрической линии выдерживать ток определённой величины, что напрямую связано с материалом кабеля и его сечением. Иными словами, при выборе модуля главным параметром является мощность или максимальный ток, который приводит к срабатыванию автомата.

Конструкция защитного модуля

Несмотря на широкий ассортимент продукции, предлагаемый различными производителями, конструкции автоматических выключателей подобны друг другу. Корпус прибора выполняется из диэлектрика, устойчивого к температурам, и не поддерживает горение. На передней панели располагается рычажок ручного управления, а также наносятся основные технические характеристики.

Конструктивно корпус состоит из двух половинок, скрученных между собой болтами. В середине его находятся следующие элементы:

1. Клеммы подключения — предназначены для обеспечения надёжного соединения с входящей и выходящей электрической линией.
2. Подвижный и неподвижный силовой вывод — эти контакты служат для замыкания или размыкания нагрузочной цепи с силовой.
3. Искрогасительная камера — при резком размыкании контактов между ними образуется дуга достаточно большой мощности, способная привести к повреждению элементов модуля. Поэтому для её гашения используется специальная камера, состоящая из вертикальных пластин, установленных в шахматном порядке. Искра, проходя через них, теряет свою мощность, а затем полностью гасится.
4. Тепловой и электромагнитный расцепитель — именно их реакция на изменения параметров электрической линии и приводит к срабатыванию прибора защиты.
5. Рычажный переключатель — используется ручной рычаг, взведение которого замыкает входящую и выходящую линию.
6. Регулировочный винт — устанавливает порог срабатывания модуля. Настраивается в заводских условиях.
7. Канал для выхода газов — при гашении искры тепловая энергия преобразуется в газ, который и выводится из устройства через специально сконструированный лабиринт.

Именно конструкции расцепителей обеспечивают почти моментальное срабатывание автоматического выключателя. Электромеханический контакт реагирует на возникновение в защищаемой им цепи тока, параметры которого превышают номинальное значение. В конструкцию расцепителя входит катушка индуктивности с сердечником, положение которой фиксируется пружиной, а уже она связана с подвижным силовым контактом. Обмотки соленоида включаются последовательно нагрузке. Тепловой расцепитель представляет собой спрессованную полоску из двух металлов с разной теплопроводностью (биметаллическая пластина).

Принцип действия

После подключения к трёхфазному автомату силовой и нагрузочной электрических линий его включают с помощью перевода рычажка в верхнее положение. В результате происходит зацепление рычага через защёлку с включающим контактом. Образованное соединение обеспечивается за счёт смещения подвижной контактной группы относительно их держателя.

При нормальной ситуации ток проходит через соприкосновение силового и подвижного контакта. Затем поступает на биметаллическую пластину и обмотку соленоида, а с неё уже попадает на клемму и подключённую к автомату нагрузку.

Если через выключатель начинает протекать ток со значением, превышающим допустимое, то биметаллическая пластина начинает нагреваться. Из-за разного теплового расширения металлов она изгибается, разрывая в итоге контакт. Сила тока, при котором происходит разрыв соединения, зависит от толщины пластины. Термомагнитный расцепитель характеризуется медленной работой, хотя и может фиксировать даже небольшие изменения величины тока. Его настройка осуществляется на заводе с помощью изменения расстояния между пластиной и подвижным контактом. Для этого используется регулировочный винт.

Но для тока, который мгновенно увеличивает своё значение, скорость реакции биметаллической пластины будет крайне низкой, поэтому вместе с ней используется и соленоид. В нормальном состоянии сердечник выталкивается пружиной и замыкает контакт автомата. При аномальном значении сигнала в витках катушки стремительно увеличивается магнитное поле, потоки которого втягивают сердечник внутрь, преодолевая действие пружины, а это приводит к разрыву цепи.

Срабатывание электромагнитного расцепителя происходит за доли секунды, при этом на токи, незначительно превышающие номинальные, он не реагирует. Одновременно с разъединением всей трёхфазной линии опускается и рычажок, который опять понадобится перевести в верхнее положение для подключения нагрузки к сети.

Характеристики устройства

Правильный подбор 3-фазного автомата заключается не только в определении условий его эксплуатации, но и по мощности и типу нагрузки, которая будет к нему подключаться. Неверно подобранная мощность модуля приводит к ухудшению защиты электропровода, при этом такое устройство и само может стать источником аварийной ситуации.

Но всё же, как бы ни было важно правильно подобрать мощность, автоматические приборы характеризуются и другими техническими параметрами, влияющими на их работу. К основным из них относят:

• рабочее напряжение — определяет величину, при которой автомат защиты работает без ухудшения своих параметров (обычно разрешается перепад в диапазоне 15%);
• номинальный ток — параметр, непосредственно связанный с мощностью, обозначает пограничное значение тока, при котором происходит срабатывание защитного модуля;
• потребляемая мощность — автоматические приборы относятся к устройствам с низким энергопотреблением;
• износостойкость — обозначает количество гарантируемых циклов включения и отключения автомата;
• минимальная и максимальная рабочая температура — диапазон, в котором технические параметры защитного модуля не изменяются;
• номинальная отключающая способность — наибольшее значение нагрузки, при котором выключатель сможет разорвать линию с сохранением своей работоспособности;
• время срабатывания — определяет интервал, в течение которого происходит отключение нагрузки от силовой линии;
• времятоковая характеристика — разделяется на классы, каждый из которых соответствует току мгновенного расцепления (например, тип С применяется для тока, превышающего значение номинального 5-10 раз).

Кроме технических параметров, автоматические приборы характеризуются и качественными показателями. К наиболее распространённым относят тип привода, способ присоединения внешних проводников, исполнение отсечки и другие.

Подбор мощности

Существует два способа определения необходимой мощности для 3-фазного автомата. При этом один дополняет другой, а не исключает его. Первый метод связан с нахождением суммарного значения потребляемой энергии и нагрузкой, а второй — с сечением электропроводки.

Исходя из определения, что автомат защищает не оборудование, а электропроводку, подбирать мощность нужно, ориентируясь на параметры последней. Это верно, но лишь до того момента, пока не будет запланирована модернизация сети. Например, существующая проводка в доме рассчитана на 1,5 квадрата. Согласно техническим характеристикам медная проводка такого диаметра сможет выдержать долговременный ток не более 10 ампер. Соответственно, наибольшее одновременное потребление энергии приборами, подключёнными к выходу автомата, не должно превышать 3,8 кВт. Это значение получается из простой формулы для нахождения мощности — P = U*I, где:

• P — наибольшая допустимая мощность потребления, Вт;
• U — напряжение трёхфазной сети, 380 вольт;
• I — максимальный ток, выдерживаемый проводкой, А.

Полученное число говорит о том, что одновременно суммарно подключённая в линию нагрузка не должна превышать это значение, т. е. при включении бойлера на 2 кВт ничего страшного не произойдёт. Но если же к этой линии подключить электропечь в 3 кВт, то проводка не выдержит и загорится, поэтому для предотвращения аварии необходимо установить автомат на 10 А, позволяющий нагрузить линию всего до 2,2 кВт.

Преимущество использования трёхфазного автомата в том, что к нему одновременно можно подключить три линии, при этом величина номинального тока будет определяться суммированием мощностей всех фаз. Таким образом, для автомата на 380 вольт она составит 6,6 кВт, а в случае подключения нагрузки типа «треугольник» — 11,4 кВт. То есть для приведённого примера, если нет возможности развести линию на разные фазовые выходы устройства защиты, понадобится приобрести автомат на 6 А.

Если же планируется модернизация проводки или используется кабель толстого сечения, то расчёт можно произвести исходя из потребляемой мощности нагрузки. Например, если нагрузка каждой фазы не будет превышать 4 кВт, то номинальный ток рассчитывается как сумма мощностей плюс 15–20% запаса (I = 4*3 = 12 А + запас = 14 А), поэтому наиболее подходящим устройством в данном случае будет автомат на 16 А.

Нюансы при расчёте

Для упрощения нахождения мощности в качестве запаса принято использовать не процентное содержание, а умножение на коэффициент. Это дополнительное число принято считать равным 1,52.

На практике же редко получается нагрузить все три фазы одинаково, поэтому, когда одна из линий потребляет большую энергию, расчёт номинала автоматического выключателя выполняется по мощностям именно этой фазы. В таком случае берётся во внимание наибольшее значение потребляемой энергии и умножается на коэффициент 4,55, и тогда можно будет обойтись без использования таблиц.

Таким образом, при расчёте мощности в первую очередь учитываются параметры электропроводки, а затем и энергия, потребляемая защищаемым автоматом электрооборудования. Здесь берётся во внимание и верное замечание из правил устройства электроустановок (ПУЭ), указывающее, что установленный автоматический выключатель должен обеспечить защиту самого слабого участка цепи.

Источник