Фотография селективного автоматического выключателя ВА 55-43 на номинальный ток 1600 ампер

Автоматические выключатели

Устройство низковольтного автоматического выключателя, его определение и классификация, ссылки на основополагающие стандарты и производителей

 
 
 
 
Краткое содержание статьи про автоматический выключатель:
  • определение;
    • функции и применение;
    • стандарты;
  • классификация:
    • по применению (авторская);
    • по стандарту;
  • устройство;
  • производители.


Ответы на часто задаваемые вопросы:

 

 

Определение

Автоматический выключатель (сокращённо выключатель или иносказательно автомат) – электромеханический коммутационный аппарат, позволяющий включать, долговременно пропускать и выключать электрический ток.
 
Выключение может производится:
  • вручную (под воздействием оператора);
  • автоматически (под воздействием расцепителей);
  • дистанционно (под воздействием управляющего сигнала).
Автоматическое отключение или защитное срабатывание вызывается встроенными в каждый полюс:
  • электромагнитным расцепителем, который мгновенно реагирует на короткое замыкание;
  • тепловым расцепителем, который фиксирует ток перегрузки и механически подаёт команду на расцепление через определённое время;
  • расцепителем минимального или нулевого напряжения (два устройства), которые определяют падение или исчезновение напряжения соответственно.
В изделиях на номинальные токи свыше 250 ампер иногда, а на токи свыше 1000 ампер всегда используют полупроводниковый или электронный расцепитель, которые заменяют классическое сочетание электромагнитного и теплового расцепляющего устройства и во время эксплуатации позволяют задавать защитные параметры.
 
Дистанционное отключение обеспечивается:
  • независимым расцепителем, на катушку которого подаётся сигнал;
  • электромагнитным приводом, который заменяет ручной привод и кроме отключения производит взвод и включение.
 

Применение или выполняемые функции

Исходя из определения автомат выполняет две задачи: управление и защита электрической системы от сверхтоков. В отличии от предохранителя гарантирует многоразовую защиту. Предохранитель срабатывает один раз, после чего нужно сменить перегоревшую плавкую вставку.
 
Низковольтные автоматические выключатели применяются повсеместно в силовых электрических цепях, в системах сигнализации, в управляющих линиях.
 
В зависимости от назначения объекта называются:
  • бытовыми – это модульные неразборные автоматические выключатели, которые применяют для протекции квартир, дач, загородных домов, гаражей;
  • промышленными – это блочные разборные автоматические выключатели, которые задействуют для защиты производственных предприятий, сельскохозяйственных объектов, торговых центров, складских помещений.
 

Нормативные документы или ГОСТы

Перечислим стандарты, которые нормируют производство и испытания низковольтных изделий:
  • ГОСТ 50345-99 – стандарт на бытовые модульные автоматические выключатели (подлинный перевод текста МЭК 60898).
  • ГОСТ 50030.2-99 – стандарт на промышленные автоматические выключатели (аутотентичный русскоязычный перевод МЭК 60947.2).
  • ГОСТ 9098-78 – нормативный документ на воздушные коммутационные аппараты (действующий союзный стандарт).
Ссылки ведут на страницы посвящённые соответствующим нормативным документам, на которых находится ссылка для скачивания, краткое описание, разбор употребляемых терминов, классификация, требования к конструкции, методики проведения испытаний.
 
МЭК (английская аббревиатура IEK) – Международная Электротехническая Комиссия (International Electrotechnical Commission).
 

 

Классификация автоматических выключателей

Приведём две системы классификации автоматических выключателей:
  • первая согласно их применению (авторское виденье);
  • вторая по стандарту ГОСТ 9098-78.
После просмотра первой будет легче разобраться со второй.
 

Классификация по применению

Силовые электрические системы имеют разветвлённую структуру. Согласно требованиям каждая ветка должна защищаться своим автоматическим выключателем. Перед любым объектом находится распределительных щит в котором всегда присутствует:
  • главный или вводной аппарат с номинальным током, который соответствует всей потребляемой мощности;
  • нижестоящие автоматические выключатели на меньшие номинальные токи;
  • сопутствующая низковольтная аппаратура (рубильник, счётчик, пускатели, устройства защитного отключения и другие изделия).
 
Бытовые модульные автоматические выключатели
 
Бытовые автоматические выключатели, применяемые как вводныеВводной автоматический выключатель ВА 47-125 для бытовых сетей переменного тока выпуска компании ЭКФ
 
Модульные автоматические выключатели ВА 47-29 с защитной характеристикой С выпуска компании ИЭКОднополюсные автоматические выключатели G61 в модульном исполнении
 
Классификация:
  • по числу полюсов (ширина 1 модуля = 18 мм):
    • однополюсные;
    • двухполюсные;
    • трёхполюсные;
    • четырёхполюсные (применяются редко);
  • по номинальному току:
    • 0.5; 1.0; 1.6; 2.0; 2.5; 3; 4; 5 и 6 ампер (редко используются);
    • 8, 10, 16, 25, 32, 40, 50 и 63 ампера (запрашиваются часто);
    • 80 и 100 ампер (только для вводных выключателей, которые больше стандартной ширины в 1.5 раза или 27 мм);
  • по типу защитной характеристики*1:
    • B  – срабатывание при коротком замыкании (аббревиатура КЗ) достигшем диапазона 2-3·In (In – значение номинального тока в амперах) – применяются для защиты цепей сигнализации с низким уровнем сверхтока, цепей с длинными проводниками;
    • C – срабатывание при КЗ достигшем диапазона 5-10·In – массовое применение;
    • D – срабатывание при КЗ достигшем диапазона 10-20·In – применяются если в цепи находится асинхронный электрический двигатель.
В остальном различий не имеется:
  • категория применения А – неселективные или без выдержки времени;
  • по роду тока – на переменный ток;
  • по токоограничению – не токоограничивающие*2;
  • по видам расцепителей – с тепловым + электромагнитным расцепителем в каждом полюсе (такое сочетание ещё называют термомагнитным или комбинированным)
  • по виду привода – с ручным;
  • по способу монтажа – стационарно на стандартную 35-мм DIN-рейку (перфорированная рейка, на которую модульные выключатели крепятся при помощи защёлки)
  • по степени защиты*3:
    • IP20 (одиночный монтаж) – не проходят предметы с размером большим 12.5 мм, не защищены от влаги;
    • IP40 (плотная установка на DIN-рейке) – не попадают предметы размером более 1 мм, не защищены от влаги.
 
Разъяснения к терминам (сноскам со знаком «*»):
  • *1 – защитная характеристика относится только к настройке электромагнитного расцепителя (защита от замыкания накоротко), которая не меняется в процессе эксплуатации. Например, при номинальном токе равном 50А и защитной характеристике С отключение произойдёт при замыкании достигшем значений 5-10·In или 250-500 ампер;
  • *2 – токоограничивающие выключатели способны разорвать главные контакты настолько быстро, что ток короткого замыкания «не успевает» возрасти до своего максимума (для таких задач применяется дорогостоящая быстродействующая механика и двойной разрыв цепи);
  • *3 – существующие степени защиты подробно описаны в стандарте ГОСТ 14254-96.
 
Промышленные блочные автоматические выключатели
Селективный автоматический выключатель ВА 55-41 на номинальный ток 1000А производства Курского электроаппаратного заводаФотография вводного автоматического выключателя с блоком управления полупроводниковым расцепителем ВА 55-43 на 1600 ампер изготовления Ульяновского завода КонтакторФотография трёхполюсного автоматического выключателя ВА 88-43 на номинальный ток 1600 ампер производства компании ИЭК Фотография трёхполюсного автоматического выключателя ВА 04-36 на 250 ампер производства Ульяновского КонтактораФотография трёхполюсного автомата серии ВА 88-37 на номинальный ток 250 ампер производства холдинга IEKФотография токоограничивающего автоматического выключателя Record Plus на номинальный ток 100 ампер изготовления американской корпорации General ElectricФотография блочного автоматического выключателя ВА 51-35 на номинальный ток 400 ампер выпуска КЭАЗ
 
Классификация:
  • по категории применения:
    • А – неселективные;
    • Б – селективные*1 или обеспечивающие выдержку времени при фиксировании сверхтока;
  • по номинальному току:
    • 16, 20, 25, 31.5; 40, 50 и 63 ампера;
    • 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630 ампер (запрашиваются часто);
    • 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 4000, 5000 и 6300 ампер.
  • по роду тока:
    • для цепей постоянного тока (двухполюсное исполнение);
    • для трёхфазных систем переменного тока (трёхполюсное исполнение);
  • по токоограничению:
    • без токоограничения (большинство серийно выпускаемых автоматов);
    • с токоограничением*2;
  • по видам расцепителей:
    • тепловой;
    • электромагнитный;
    • полупроводниковый (заменяет первые два);
    • электронный (заменяет первые два);
    • дополнительные:
      • независимый;
      • минимального напряжения;
      • нулевого напряжения;
  • по виду привода:
    • ручной;
    • электромагнитный или двигательный;
  • по способу монтажа:
    • стационарные;
    • выдвижные или выкатные*3;
    • втычные (встречаются очень редко).
В остальном различия отсутствуют:
  • по степени защиты:
    • IP00 для контактных выводов (они оголены);
    • IP20 или IP30 – не проникают твёрдые предметы с размером большим 12.5 и 2.5 мм соответственно, от попадания влаги не защищены.

Разъяснение сносок:
 
*1 – селективностью зачастую обладают выключатели на номинальные токи от 1000А (в порядке исключения от 250А), их устанавливают перед промышленным комплексом, они защищают все далее разветвляющиеся цепи и потребителей энергии.
Предположим, что в одной из веток цепи произошло короткое замыкание, при автоматическом срабатывании главного (вводного) аппарата отключится полностью весь объект. Чтобы этого не допустить, его наделяют селективностью (избирательностью) или способностью выдержать определённый промежуток времени. За эти доли секунды срабатывает нижестоящий аппарат с меньшим амперажём, который отключит аварийную ветку с возникшим замыканием. Если этого не произойдёт, то через настроенное время (от 0.2 до 0.7 секунды) сработает главный автомат.
Если выключатель:
  • селективный, ему присваивают категорию применения В;
  • не селективный, его определяют к категории применения А.
Категория применения в виде буквы «А» или «В» всегда указана на лицевой панели.
 
*2 – токоограничением является способность ограничить рост тока короткого замыкания (пресечь его в «зародыше»). Для этого выключатели должны обладать быстродействующим механизмом свободного расцепления, Смысл токоограничения в зоне короткого замыканиякоторый разведёт главные контакты быстрее, чем ток КЗ достигнет своего пика (смотри рисунок слева). У некоторых изделий (кроме быстродействия) главные контакты имеют двойной разрыв цепи.
Все вводные блочные аппараты (от 1000А) являются токоограничивающими – срабатывают за 0.02 секунды, при настройке на мгновенное расцепление в зоне КЗ (что подразумевает отказ от селективности). Лишь небольшая часть общепромышленных выключателей (из второй колонки) обладают токоограничением, ввиду высокой стоимости такого свойства.
Ограничение тока КЗ позволяет снизить воздействующие:
  • электромагнитные силы, которые прямо пропорциональны квадрату силы тока (прежде всего они являются разрушающим фактором);
  • магнитные поля (отрицательно влияют на измерительные приборы и микропроцессорную технику);
  • тепловые перенапряжения, которые быстро снижают ресурс изоляции.
 
*3 – выкатные выключатели поставляются совместно с каркасом, по полозьям которого перемещаются. Контактные выводы обращены назад (к монтажной панели) и входят в специальные захваты на раме в виде «крокодильчиков». Такое исполнение применяют:
  • для получения разъединения (разрыв цепи настолько широкий, что полностью исключается пробой, который нужен для проведения каких-либо профилактических работ);
  • для произведения быстрой замены первого аппарата на второй однотипный (его имеют в резерве, благодаря чему простой объекта без электроэнергии минимальный).
 
 

Классификация по ГОСТ 9098-78

Классификация автоматических выключателей:
  • по назначению:
    • для протекции от перегрузок и коротких замыканий;
    • для протекции от замыканий накоротко (встроен только электромагнитный расцепитель);
    • для ручных переключений;
    • для пуска и защиты электрических двигателей (оговаривается отдельно для каждой серии);
  • по роду тока:
    • на постоянный ток (до 110, 220 или 440 вольт);
    • на переменный ток (до 220, 380. 660 или 1000 вольт);
    • на переменный и постоянные токи;
  • по количеству полюсов: 1, 2, 3 и 4-полюсные;
  • по возможности токоограничения (описано выше):
    • с ней;
    • без неё;
  • по виду расцепляющего устройства:
    • с максимальным расцепителем тока (аббревиатура МРТ):
      • тепловым и электромагнитным;
      • либо заменяющих первые два электронный (микропроцессорный) или полупроводниковый;
    • с независимым;
    • минимального напряжения;
    • нулевого напряжения;
  • по выдержке времени (эта характеристика определяет селективность):
    • без неё (категория применения А);
    • с независимой от тока (категория применения В);
    • с обратно зависимой от тока;
    • комбинация;
  • по наличию свободных контактов (необходимы для цепей сигнализации и управления для передачи сигнала о коммутационном положении автомата):
    • с ними;
    • без них;
  • по способу присоединения проводников тока;
    • заднее (контактные выводы направлены к монтажной панели);
    • переднее (контактные выводы доступны при открытии двери щита);
    • комбинированное;
  • по виду привода:
    • с ручным;
    • с двигательным или электромагнитным (позволяет удалённо управлять изделием);
    • с пружинным (встречается крайне редко);
  • по способу монтажа:
  • по степени защиты от воды (влага, взвешенная водяная пыль) и твёрдых предметов (инструмент, пальцы, щупы, гвозди и так далее), которую обеспечивает оболочка по стандарту ГОСТ 14254-96;
    • IP00 – полностью открытое исполнение;
    • IP20 или IP30 – имеется корпус который препятствует попаданию предметов с одним из размеров большим 12.5 и 2.5 мм соответственно;
    • IP54 – пылевлагозащищённое исполнения для установки в уличных условиях.
При монтаже в корпусе со степенью защиты IP54 без вентиляции снижают номинальный ток или напряжение (на 10-20%, значение указывается в заводском каталоге). 99% выключателей с естественным воздушным охлаждением, а оно ухудшается в закрытом пространстве. По тем же причинам на высоте более 2000 м над поверхностью океана (разряженность воздуха) уменьшают номинал либо напряжение.
 
 
Обобщённый вид линейки номинальных токов
 
Применение:
Номинальный ток, ампер
сети управления и сигнализации (слаботочка) 0.5 1.0 1.6 2.0 2.5 3 4 5 6.3 8  
бытовые и офисные системы 10 16 20 25 32 40 50 63      
промышленные системы 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800
1000 1250 1600 2000 2500 4000 5000 6300      
 
Автоматические выключатели:
  • в модульном исполнении (1 полюс = 1 модуль = 18 мм) выпускаются на токи до 63 ампер;
  • в модульном исполнении (1 модуль = 1.5 стандартных = 27 мм) выпускаются  до 125 ампер (используются как вводные);
  • в блочном исполнении (размеры задаёт производитель) изготавливаются на токи от 16 до 6300 ампер:
    • не селективные (категории применения А) на токи от 16 до 800 ампер;
    • селективные (категории применения В) на токи от 1000 до 6300 ампер (существуют редкие исполнения на токи 250, 400 и 630 ампер).
Основные различия модульных автоматов от блочных (бытовых от промышленных соответственно):
  • нормирование ширины, которую занимает 1 полюс (из-за этого ограничения, ввиду взаимного влияния токопроводящих элементов, невозможно изготовление номинала выше 125 ампер);
  • упрощённая конструкция влияет:
    • на точность срабатывания электромагнитного расцепителя при КЗ (±50%, а у промышленных не более ±20%);
    • на предельную коммутационную способность или наибольший ток КЗ, который отключает аппарат (не выше 10 кА, а у промышленных до 100 кА)
    • на предельное напряжение в главной цепи (до 220 вольт, а у промышленных до 1000 вольт);
  • неразборный корпус на заклёпках, из-за чего не поддаются обслуживанию в процессе эксплуатации (например, снятие нагара на главных контактах; регулирование провала, который влияет на качество сцепления).
 
 

Устройство (принцип действия)

Автоматический выключатель собирается из нескольких узлов: корпус автомата, коммутирующее устройство, механизм управления, дугогасительные камеры, максимальные расцепители тока и дополнительные сборочные единицы (независимый расцепитель, вспомогательные контакты, расцепитель минимального напряжения, расцепитель нулевого напряжения).
 
Корпус автомата выполнен из диэлектрического материала и гарантирует заданную степень защиты от атмосферных воздействий и попадания на токоведущие или механические части твёрдых инородных тел.
 
Коммутирующее устройство составляют подвижные и неподвижные контакты, которые входят в сцепление (функционирование выключателя) и расцепляются (автоматическое или ручное отключение). Полюс автоматического выключателя составляет пара контактов, количество полюсов может варьироваться от одного до четырёх, в каждом полюсе монтируется дугогасительная камера и расцепители.
Зачастую, контакты в месте сцепления изготавливаются из металлокерамики на основе серебра. Применение серебра вызвано его высокой электропроводностью (низкое переходное сопротивление) и отсутствием окисления в нормальных воздушных условиях (окислы имеют низкую электропроводность).
 
Механизм управления – ручной привод независимого действия, который гарантирует моментальное замыкание и размыкание главных контактов. Управляющим элементом является рукоятка или кнопка.
 
Дугогасительная камера должна обеспечить гашение дуги при различных режимах сети.
В автоматических выключателях применяется два типа дугогасительных устройств: полузакрытое и открытое.
В полузакрытом исполнении автомат закрывается кожухом, в котором проделываются щели для выхода горячих газов. Зона выброса ионизированных газов достигает длины всего в несколько сантиметров от выходных отверстий. Такое решение применяется для низковольтной аппаратуры, которая монтируется с другими устройствами, в распределительных щитах, у автоматических выключателей с ручным приводом.
 
При токах 100 кА и выше задействуются камеры открытого типа с большой зоной выброса.
В автоматических выключателях широко используется деионная дугогасительная решётка, состоящая из металлических пластин. В цепях переменного тока напряжением до 690 В подобные устройства способны гасить дугу с током до 50 кА. В цепях на постоянном токе с напряжением до 440 В дугогасительные камеры из стальных пластин успешно гасят дугу с током до 55 кА. Гашение дуги происходит достаточно спокойно с минимальным выбросом разогретых ионизированных газов.
 
Максимальные расцепители тока (МРТ). В автоматическом выключателе часто используют комбинированный расцепитель – электромагнитный (мгновенный) и тепловой расцепители.
 
Принцип действия электромагнитного расцепителя заключается в том, что на катушку с обмоткой из медного провода подаётся ток нагрузки. При нормальном режиме работы ток не вызывает перемещения сердечника; но при токах короткого замыкания, имеющих высокие значения, сердечник втягивается или выталкивается из катушки и воздействует на отключающий механизм.
 
Тепловой расцепитель это биметаллическая пластина, которая выполняется из двух спрессованных металлов с разными линейными расширениями. При пропускании тока через пластину она нагревается и изгибается. При возникновении перегрузки (токи превосходящие номинал в 1,1 раза и выше), пластина достаточно разогревается и действует на механизм расцепления. Процесс нагрева может длиться от нескольких минут до часа - время, через которое происходит размыкание контактов.
 

Производители (заводы-изготовители)

Интернет-магазин представляет, как производителей из стран СНГ, так и зарубежные торговые марки.
 
Несколько примеров:
  • «Курский электроаппаратный зав од» ТМ «КЭАЗ» (Курск, Россия);
  • компания «IEK» (ИнтерЭнергоКомплект в прошлом);
  • электротехническая компания «EKF electrotechnica»;
  • Ульяновский завод низковольтной аппаратуры «Контактор»,
  • украинская компания «ПромФактор» (город Кривой Рог)
  • «Дивногорский завод низковольтных автоматов» (ТМ «ДЗНВА»),
  • международная корпорация «General Electric» (подразделение GE Consumer & Industrial Power Protection).
В данной статье описание автоматических выключателей создано с учётом опыта поставок, то есть представляет собой симбиоз теории и практики. Хорошая статья, которая дополнит содержание текущей и раскроет другие аспекты коммутационных аппаратов, находится в Википедии.