Устройство и технические характеристики электрического автомата

Как устроены старые электрические пробки

Обычные электрические керамические пробки относятся к устаревшим моделям и применяются в домашних условиях все реже. Визуально представляют собой фарфоровую оболочку цилиндрической формы, внутренняя часть оснащена стеклянной трубкой с контактами на торцах и тонким проводником. Вкручивают их недалеко от прибора учета электроэнергии в распределительном щитке. Цоколь имеет много сходств с цоколями, предназначенными для обыкновенных ламп накаливания.

Когда через тонкий проводник внутри стеклянной трубки проходит ток высокого напряжения, она расплавляется, следовательно, электрическая цепь разрывается. Пробка при этом выходит из строя – перегорает и ремонту не подлежит. Это электротехнические устройство имеет одно неоспоримое преимущество: работа ее зависит не от работоспособности и производительности бытовой техники и электрических приборов, а от физических свойств материалов. К недостатку относится неремонтопригодность: сработав один раз, требует утилизации.

Выбор автоматического предохранителя

Автоматический ввод резерва

В зависимости от назначения автоматы подразделяются на типы, приведенные в таблице.

Типы бытовых автоматических выключателей

Тип автоматического выключателя	Ток срабатывания	Назначение
A	2-3∙In	При наличии электронных схем в нагрузке.
B	3-5∙In	Смешанная нагрузка
C	5-10∙In	Умеренные пусковые токи
D	10-20∙In	Большие пусковые токи

Из таблицы видно, что самым важным критерием выбора автомата является номинальный ток. Он должен быть на 10-15% меньше допустимой токовой нагрузки проводки, поскольку главной функцией устройства является ее защита. Затем выбирают автомат, ближайший из стандартного ряда.

Следующий критерий выбора – ток срабатывания. Его можно выбрать, исходя из назначения аппарата, как указано в вышеприведенной таблице.

В системе электроснабжения квартиры или дома может быть установлено несколько автоматов. Номиналы каждого выбираются, исходя из нагрузки каждой линии. При этом должна соблюдаться селективность, чтобы аппараты на верхнем уровне не срабатывали раньше устройств, установленных на низших уровнях.

Схема ввода предусматривает установку впереди счетчика главного двухполюсного автомата, а затем подключение однополюсников на каждую линию. На схеме перед ними установлен дифференциальный автомат, одновременно являющийся автоматом и УЗО.

Схема последовательного подключения автоматических выключателей

Для данной схемы вместо дифференциального выключателя можно установить УЗО, поскольку главный автомат уже есть.

Однополюсный автомат должен подключаться на фазу, а не на нейтраль. Иначе напряжение останется на нагрузке при обесточивании линии.

При трехфазном главном вводе устанавливается четырехполюсный автомат, а нагрузка на фазы равномерно распределяется по линиям. Если нагрузка трехфазная (электрический котел, электродвигатель станка), то к ней подключается четырехполюсный автомат с меньшим номиналом, чем у главного на входе. На рисунке изображена схема трехфазного ввода в дом.

Схема трехфазного ввода в частный дом

Основные однофазные потребители располагаются после счетчика и разделяются на три группы, для каждой из которых требуется свой предохранитель:

• тип D – силовая (электроплита, стиральная и посудомоечная машины);
• тип В – освещение;
• тип С – хозяйственные помещения (гараж, подвал).

На схеме также изображена трехфазная линия, которая обычно применяется для хозяйственных нужд. Для нее выбирается автомат типа С. Если в линии установлены станки с трехфазными двигателями, лучше применить аппарат типа D.

Для чего применяются плавкие предохранители

Несмотря на широкое использование автоматических защитных устройств, плавкие вставки сохраняют свою актуальность при защите электронной аппаратуры, автомобильных электросетей, промышленных электроустановок и систем энергоснабжения. Они до сих пор применяются в распределительных щитах многих жилых домов, благодаря надежной работе, небольшим размерам, стабильным характеристикам и возможности быстрой замены.

В случае соединения двух проводов, подключенных к источнику тока, наступит всем известный эффект короткого замыкания. Причиной может стать испорченная изоляция, неправильное подключение потребителей и т.д. При сравнительно небольшом сопротивлении проводов, в этот момент по ним будет протекать очень высокий ток. В результате перегрева проводов загорается изоляция, что может привести к пожару. Избежать негативных последствий вполне возможно путем включения в электрическую цепь плавких предохранителей, известных также под наименованием пробок. В случае превышения током допустимой величины, проволочка внутри предохранителя сильно нагревается и быстро расплавляется, разрывая в этом месте электрическую цепь.

Конструкция предохранителей может быть трубчатой или пробочной. Трубочные элементы изготавливаются в закрытом фибровом корпусе, обладающим свойствами газогенерации. В случае повышения температуры внутри трубки создается высокое давление, вызывающее разрыв цепи. Пробочные предохранители имеют стандартную конструкцию, оборудованную проволокой, расплавляющейся под действием высокого электрического тока.

Существует еще одна разновидность так называемых самовосстанавливающихся предохранителей, изготовленных из полимерных материалов, изменяющих свою структуру при разных температурах. Существенный нагрев приводит к резкому изменению сопротивления в сторону увеличения, в результате чего цепь разрывается. Дальнейшее остывание вызывает уменьшение сопротивления, поэтому цепь вновь замыкается. В основном такие предохранители используются в сложных цифровых устройствах. В обычных силовых сетях они не применяются из-за высокой стоимости.

Иногда некоторые умельцы пытаются заменить сгоревший предохранитель, используя вместо него так называемые жучки, представляющие собой кусок толстого провода или тонких проволочек, скрученных в общий пучок. Такие самодельные устройства категорически запрещается использовать, поскольку ток при коротком замыкании будет недопустимо высоким. Сильный нагрев проводки вызовет ее повреждение, возгорание и пожар.

Устройство плавкого предохранителя

В состав входит корпус или патрон, обладающий электроизоляционными свойствами, и сама плавкая вставка. Ее концы соединяются с клеммами, которые последовательно включают предохранитель в электрическую цепь, совместно с защищаемым устройством или электрической линией. Материал плавкой вставки выбирается с таким расчетом, чтобы он мог расплавиться раньше, чем температурный показатель проводов выйдет на опасный уровень, либо потребитель в результате перегрузки выйдет из строя.

Исходя из конструктивных особенностей, плавкие предохранители могут быть патронными, пластинчатыми, пробочными и трубочными. Расчетная сила тока, которую способна выдержать плавкая вставка, указывается на корпусе устройства.

Довольно простая конструкция у низковольтных предохранителей. Под воздействием высокого тока плавкая вставка или токопроводящий элемент подвергается сильному нагреву, после чего при достижении определенной температуры плавится в дугогасящей среде и испаряется, разрывая защищаемую цепь. Именно так работает плавкий предохранитель в электрической цепи.

Для того чтобы горячие газы и жидкий металл не попадали в окружающую среду применяется керамический изолятор, он же корпус устройства, устойчивый к воздействию высоких температур и значительного внутреннего давления. Защитные крышки, расположенные по краям предохранителя, оборудованы специальными планками под унифицированные рукоятки, захватывающие плавкие вставки при замене негодных элементов. С помощью защитных крышек и керамического корпуса создается взрывонепроницаемая оболочка, ограничивающая коммутационную электрическую дугу.

Песок, заполняющий внутреннее пространство, ограничивает силу тока. Материал выбирается с определенными размерами кристаллов, после чего он уплотняется надлежащим образом. Как правило предохранители заполняются кварцевым кристаллическим песком, имеющим высокую химическую и минералогическую чистоту. Соединение плавкой вставки с основанием-держателем осуществляется механическим способом, при помощи контактных ножей. Для их изготовления используется медь или медные сплавы, покрытые оловом или серебром.

Плавкие предохранители — два основных типа

В теории и практике плавкие предохранители разделяются на два основных типа. Такое деление происходит по величине напряжения рабочей сети, для которой предназначен предохранитель. Разделяют низковольтные и плавкие высоковольтные предохранители.

Низковольтные предохранители рассчитаны на напряжение до 1000 Вольт. Маркируются плавкие низковольтные предохранители, как ПН или ПР.

Предохранители ПН это низковольтные предохранители с мелкозернистым наполнителем вокруг плавкой медной вставки. Рассчитаны предохранители ПН до тока 630 Ампер.

Предохранители ПР рассчитаны на токи 15-60 ампер. Они проще предохранителей ПН, но все равно гасят электрическую дугу при коротком замыкании.

Как сделать индикатор перегорания предохранителя своими руками

В продаже есть автомобильные предохранители с индикатором их неисправности. В корпусе предохранителя вмонтирована миниатюрная лампочка накаливания или светодиод, начинающие светиться при перегорании предохранителя. Такой индикатор перегорания авто предохранителя можно собрать своими руками по ниже предложенной на фотографии электрической схеме.

Для этого достаточно подсоединить параллельно контактам предохранителя, любой светодиод VD1 через токоограничивающий резистор R1 или миниатюрную лампочку, рассчитанную на напряжение 12 В. Индикатор перегорания предохранителя можно смонтировать как в корпусе предохранителя, так и установить на колодке его держателя. Второй вариант предпочтительнее, так как при замене предохранителя индикатор останется на месте. Индикатор не будет светить при перегоревшем предохранителе, если не подключена нагрузка.

Приведенная на фотографии схема индикатора перегорания предохранителя или срабатывании автоматического выключателя с успехом может работать и в бытовой электросети при питающем напряжении 220 В.

Достаточно увеличить номинал резистора R1 до 300-500 кОм и для защиты светодиода VD1 от пробоя обратным напряжение дополнить схему диодом VD2 любого типа, рассчитанного на обратное напряжение не менее 300 В. Подойдет, например, широко применяемый отечественный диод КД109Б или импортный 1N4004.

Для сети переменного тока 220 В можно индикатор перегорания предохранителя или автоматического выключателя сделать на неоновой лампочке.

О принципе работы схем индикаторов и о расчете номиналов резистора с помощью онлайн калькулятора в зависимости от типа используемого светодиода или неоновой лампочки с примерами монтажа вопрос подробно рассмотрен в статье сайта «Схема подключения выключателя с подсветкой».

Использование предохранителей при высоких напряжениях

С повышением напряжения габаритные размеры предохранителей увеличиваются. Связано это с необходимостью:

• обеспечить расстояние между выводами элементов, требуемое ПУЭ;
• эффективно и быстро погасить дугу внутри корпуса предохранителя.

Даже при длине предохранителя, равной допустимому расстоянию между частями электроустановок, находящимися под разным потенциалом, обеспечить дугогашение не так просто. Не помогает даже наполнение корпуса кварцевым песком.

Высоковольтные предохранители

В этих случаях конструкцию предохранителя усложняют. Один из путей ускорения срабатывания является установка пружины, разрывающей плавкую вставку в момент перегорания. Другой путь решения проблемы – сдувание дуги потоком газа, находящегося до срабатывания предохранителя под большим давлением. Путь газу внутрь устройства открывает клапан, механически соединенный с плавкой вставкой. Срабатывание защиты сопровождается звуком, напоминающем выстрел, поэтому такие предохранители называют стреляющими.

Оцените качество статьи:

Особенности работы автоматов защиты сети

К какому бы классу ни относился автоматический выключатель, его главная задача всегда одна – быстро определить появление чрезмерного тока, и обесточить сеть раньше, чем будет поврежден кабель и подключенные к линии устройства.

Токи, которые могут представлять опасность для сети, подразделяются на два вида:

• Токи перегрузки. Их появление чаще всего происходит из-за включения в сеть приборов, суммарная мощность которых превышает ту, что линия способна выдержать. Другая причина перегрузки – неисправность одного или нескольких устройств.
• Сверхтоки, вызванные КЗ. Короткое замыкание происходит при соединении между собой фазного и нейтрального проводников. В нормальном состоянии они подключены к нагрузке по отдельности.

Устройство и принцип работы автоматического выключателя – на видео:

https://youtube.com/watch?v=9bTw3wtgOWY

Токи перегрузки

Величина их чаще всего незначительно превышает номинал автомата, поэтому прохождение такого электротока по цепи, если оно не затянулось слишком надолго, не вызывает повреждения линии. В связи с этим мгновенного обесточивания в таком случае не требуется, к тому же нередко величина потока электронов быстро приходит в норму. Каждый АВ рассчитан на определенное превышение силы электротока, при котором он срабатывает.

За отключение питания под воздействием мощной нагрузки отвечает тепловой расцепитель, основой которого является биметаллическая пластина.

Этот элемент нагревается под воздействием мощного тока, становится пластичным, изгибается и вызывает срабатывание автомата.

Токи короткого замыкания

Поток электронов, вызванный КЗ, значительно превосходит номинал устройства защиты, в результате чего последнее немедленно срабатывает, отключая питание. За обнаружение КЗ и немедленную реакцию аппарата отвечает электромагнитный расцепитель, представляющий собой соленоид с сердечником. Последний под воздействием сверхтока мгновенно воздействует на отключатель, вызывая его срабатывание. Этот процесс занимает доли секунды.

Однако существует один нюанс. Иногда ток перегрузки может также быть очень большим, но при этом не вызванным КЗ. Как же аппарат должен определить различие между ними?

На видео про селективность автоматических выключателей:

Здесь мы плавно переходим к основному вопросу, которому посвящен наш материал. Существует, как мы уже говорили, несколько классов АВ, различающихся по времятоковой характеристике. Наиболее распространенными из них, которые применяются в бытовых электросетях, являются устройства классов B, C и D. Автоматические выключатели, относящиеся к категории A, встречаются значительно реже. Они наиболее чувствительны и используются для защиты высокоточных аппаратов.

Между собой эти устройства различаются по току мгновенного расцепления. Его величина определяется кратностью тока, проходящего по цепи, к номиналу автомата.

Это интересно: Как подключить самостоятельно УЗО — особенности

Расчет мощности

Плавкая вставка выбирается с таким расчетом, чтобы она плавилась раньше, чем температура проводов линии достигнет опасного уровня или перегруженный потребитель выйдет из строя. По конструктивным особенностям различают пластинчатые, патронные, трубочные и пробочные предохранители. Сила тока, на который рассчитана плавкая вставка, указывается на ее корпусе. Оговаривается также максимально допустимое напряжение, при котором может использоваться предохранитель.

Данная кривая снимается экспериментально: берется партия одинаковых предохранителей, которые последовательно пережигаются при разных токах. Замеряются время, по истечении которого вставка перегорает, и ток, проходящий через вставку. Каждому току соответствует определенное время перегорания вставки. По этим данным и строится временная характеристика.

Наверное, все из нас видели керамические «пробки», которые заворачиваются в щиток электросчётчика. До недавнего времени, а иногда и сейчас они ещё служат в качестве устройств защиты. По личному опыту – неоднократно сталкивался с такой схемой включения – в щитке две пробки, одна стоит в фазном проводе, вторая – в нулевом. Но какая схема включения категорически неправильна! Ни в коем случае нельзя включать предохранитель в нулевой провод. Ведь что происходит, если именно он выйдет из строя – цепь разоврётся и будет защищена, но потребители всё равно будут под потенциалом сети – фаза-то присутствует. А это уже вопросы электробезопасности.

Плавкий предохранитель, изготовленный в СССР.

Несмотря на то, что плавкие предохранители отслужили свой срок и морально устарели в качестве устройств защиты во вводах бытового сектора, на протяжении всего времени существования они достойно выполняли данную функцию. Плавкие предохранители, конечно справляются со своими функциями защиты от превышения потребляемого тока или короткого замыкания. Однако, на сегодняшний день, особенно в бытовом секторе, плавкие вставки становятся раритетом.

Плюс ко всему – это довольно опасные в пожарном плане устройства. Ведь сегодня многие считают себя электриками и при перегорании «пробки» некоторые «специалисты» устанавливают «жучки» из некалиброванной проволоки. Причём, иногда, довольно экзотические. Характерный пример я описывал в предыдущем обзоре. А чем всё это чревато – далеко ходить не нужно – посмотрите хронику ЧП по любому телеканалу. Поэтому вполне закономерно, что на смену плавким вставкам пришли более надёжные устройства – автоматические выключатели.

Как выбрать по характеристикам и функциям устройства

Основным параметром, по которому выбирается автоматический выключатель, является суммарная токовая нагрузка от всех подключенных электроприборов

Также нужно обращать внимание на другие факторы – напряжение сети, количество полюсов, защищенность корпуса, сечение проводов, состояние электропроводки

Определение полюсности автомата

В зависимости от вида электропроводки выбирается полюсность автомата. Для однофазных сетей используются одно- и двухполюсники, для трехфазной электросети применяются приборы с тремя и четырьмя полюсами.

Выбор по току

Ток – наиболее важная характеристика, влияющая на выбор автомата. Именно от этого показателя зависит, сработает ли защита при аварийной ситуации. Для электрощитов, расположенных рядом с электрическими подстанциям, следует покупать защитное устройство на 6 кА. В жилых помещениях это значение увеличивается до 10 кА.

Рабочий или номинальный ток

Рабочие токи определяются суммарной нагрузкой всех бытовых приборов, которые защищает автомат. Следует учитывать и сечение электропроводов и их материал.

Для осветительной группы обычно используются автоматы на 10 Ампер. Розетки могут подключаться к 16 Ампер. Мощное бытовое оборудование вроде электроплит и водонагревателей требует 32 А у защитного автоматического выключателя.

Точное значение рассчитывается как суммарная мощность всех бытовых приборов, деленная на 220 В.

Нежелательно сильно завышать рабочий ток – автомат может не сработать при аварии.

Ток короткого замыкания

Для выбора автомата по току короткого замыкания следует пользоваться правилами ПУЭ. Запрещено использовать выключатели с отключающей способностью ниже 6 кА. В домах чаще всего применяются приборы на 6 и 10 кА.

Селективность

Под данным термином понимают отключение в аварийной ситуации только проблемного участка электросети, а не всей энергии в доме. Следует выбирать автоматы на каждую группу приборов отдельно. Вводный автомат выбирается на 40 А, далее ставятся приборы с меньшим током на каждый вид бытовых устройств.

Число полюсов

Есть несколько видов автоматов: однополюсные, двухполюсные, трехполюсные и четырехполюсные. Однополюсники применяются в однофазной сети (одна фаза, два, три провода). Нейтраль в таком случае не защищена. Используется для розеточной группы или для освещения. Двухполюсный выключатель используется для электропроводки с одной фазой и двумя проводами. Можно применять как вводных предохранитель всей сети и для защиты отдельных электроприборов. Устройства с двумя полюсами являются самыми распространенными.

Замена одного двухполюсника двумя однополюсными устройствами запрещена правилами ПУЭ.

Трехполюсники и четырехполюсники используются в трехфазной сети 380 Вольт. Разливаются наличием провода нейтрали в приборе с четырьмя полюсами.

Сечение кабеля

Огромное влияние на выбор оказывает сечение и материал кабелей. В домах, построенных до 2003 годов, использовалась алюминиевая электропроводка. Она является более слабой, и ей требуется замена. Ставить новый выключатель, выбранный только по суммарной мощности, нельзя.

Медные кабели пропускают большие токи, чем алюминиевые

Здесь важно учитывать сечение – изделия из меди площадью 2,5 кв.мм. безопасно работают с токами до 30 А

Для определения нужного значения следует воспользоваться таблицами расчета сечения кабеля.

Производитель

Обязательно нужно обращать внимание на изготовителя автомата. Лучше приобретать прибор у известной проверенной фирмы в специализированном магазине

Это снизит риск покупки подделки, и приобретенное изделие будет соответствовать заявленным критериям. Также фирменные магазины дают гарантию на выключатель.

Степень защиты корпуса

Каждый выключатель имеет свою степень защиты корпуса. Она записывается как IP и 2 цифры. Иногда дополнительно могут использоваться 2 латинские буквы, описывающие вспомогательные характеристики. Первая цифра указывает степень защиты от пыли, вторая – от влаги. Чем больше число, тем выше защищенность корпуса автомата.

Маркировка

Маркируется выключатель с помощью букв и цифр. Расшифровывается она следующим образом:

• буква А, В, С и т.д. – класс автомата, означает предел тока мгновенного срабатывания;
• цифра обозначает номинальный ток, при котором устройство работает в штатном режиме;
• рядом также указывается число в тысячах ампер, показывающее максимальное значение силы тока, при котором выключатель среагирует.

Маркировка указывается на корпусе прибора и в соответствующей документации.

Разновидности защитных сетевых устройств

По конструктивному исполнению существует несколько типов защитных устройств:

• малогабаритные устройства;
• воздушные элементы;
• закрытые АВ;
• УЗО.

Небольшие модели

Маленькие аппараты предназначены для использования в цепях с небольшой нагрузкой. Они рассчитаны на протекание тока от 4,5 до 15 А. Такие элементы в большинстве случаев применяют в бытовых сетях. Это модульные устройства, размеры которых стандартизованы. Их ширина кратна 1,75 см. Благодаря заранее известной величине выключатели такого типа легко крепить на специальную планку – DIN-рейку.

Воздушные открытые устройства

Эти устройства применяют в мощных сетях. Чаще всего они используются в промышленности. Большинство из них трехфазные.

Воздушные АВ можно располагать в специальных шкафах снаружи здания. Но их главное преимущество – возможность изменять характеристики устройств, подстраивая их с помощью вставок.

Закрытые автоматические выключатели

АВ закрытого типа используют для эксплуатации в тяжелых условиях. Их корпус изготовлен из литого металла и герметичен. Такие автоматы применяют для контроля функционирования моторов заводских станков, а также другого мощного оборудования, поскольку они могут выдерживать большой ток.

Приборы защитного отключения

Функция разрыва сети используется и для ограждения человека от удара электрическим током. В этих целях применяют УЗО – устройства защитного отключения. Их задача – предотвратить ток утечки из-за попадания влаги или случайного соединения корпуса с фазным проводом.

Есть приборы, которые соединяют в себе задачи автоматического разъединителя и УЗО – дифференциальные выключатели. Они исключают токи перегрузки и короткого замыкания, а также контролируют утечку, т.е. то, от чего защищает УЗО. Чаще всего дифавтоматы применяют в отдельной ветке электрической цепи, подключенной к мощному устройству: духовке, кондиционеру, нагревателю и т.п.

Принцип работы

Устройство автомата обеспечивает специфику его работы. Рассмотреть принцип действия прибора стоит на примере однополюсной модели:

1. На верхнюю клемму подключается кабель от линии питания, на нижнюю – провода потребителей.
2. Для включения необходимо ставить ручку в верхнее положение, для отключения – в нижнее.
3. В момент включения механизмом взвода направляется подвижный контакт к неподвижному. Сцепка соединяется.
4. Соленоидный расцепитель-электромагнит функционирует по принципу выталкивания сердечника из центра катушки электромагнитным полем.

   Принцип работы автоматического выключателя

5. Цилиндрический сердечник из металла надавливает на рычаг механизма расцепления.
6. За счет гибкой перемычки катушка контактирует с подвижным элементом. Его положение регулирует резьбовой винт.
7. Неподвижный контакт, подкинутый на верхнюю клемму, выступает в качестве упора для подвижного. Он же замыкает цепь при взводе механизма расцепления.
8. Контакты автоматически выключаются при повышенной токовой нагрузки. О разрыве цепи свидетельствует искрение. Искры гасит дугогаситель. Дым и остаточные газы выводятся через специальный канал.
9. Тепловым расцепителем дублируются все этапы работы электромагнитного сердечника. Разница заключается в выталкивании рычага выгнутой биметаллической пластиной.

Работа в нормальном режиме

В неаварийном режиме автомат работает иначе. Ручка управление поднята вверх, а ток поступает на устройство через кабель питания. Проводник подкинут на верхнюю клемму. Затем ток направляется на неподвижные контакты, оттуда – на подвижные. На соленоидную катушку токи подаются через гибкий кабель. После нее поступают на биметаллический элемент, оттуда – на винтовую клемму внизу, а дальше – в электроцепь, к которой подключена нагрузка.