Тепловой расцепитель автоматического выключателя АП50Б. В автомате реализован комбинированный или термомагнитный расцепитель

Расцепитель

Определение и виды расцепителей, их преимущества и недостатки; примеры автоматических выключателей с тепловым, электромагнитным, полупроводниковым и электронным расцепляющим устройством; процессы протекающие при сверхтоках

 
Краткое содержание (ссылки на текущую страницу):

 

Определение расцепителя

Расцепители разделим на две условные группы:
  • расцепители для защиты цепей;
  • расцепители выполняющие вспомогательные функции.
Расцепителем (первая группа), применительно к автоматическому выключателю, называется устройство способное распознавать критическую ситуацию (появление сверхтока) и заблаговременно пресекать её развитие (вызывать расхождение главных контактов).
 
Во вторую группу расцепителей можно выделить дополнительные устройства (ими не комплектуют базовые исполнения автоматов, а снабжают лишь заказные исполнения):
  • независимый расцепитель (дистанционное отключение автоматического выключателя по сигналу из вспомогательной цепи);
  • расцепитель минимального напряжения (отключает автомат при падении напряжения ниже допустимого);
  • расцепитель нулевого напряжения (вызывает расцепление контактов при существенном падении напряжения).
 

Определения терминов, встречающихся ниже

Под сверхтоком понимается сила тока превышающая номинальный (рабочий) ток. Под это определение попадает ток короткого замыкания и ток перегрузки.
 
Ток перегрузки – сверхток, действующий в функциональной сети (длительное воздействие перегрузок может вызвать повреждение цепи).
Ток короткого замыкания (КЗ) – сверхток, который обусловлен замыканием двух элементов с очень низким полным сопротивлением между ними, при этом в нормальной работе эти элементы наделены различным потенциалом (замыкание накоротко может быть вызвано не верным подсоединением или повреждением). Например, механические воздействия или старение изоляции, вызывает соприкосновение токопроводящих жил и короткое замыкание.
Высокое значение тока короткого замыкания распознаётся из формулы:
I = U / R (сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению).
Следовательно, как только R → к 0, тогда I → к бесконечности.
 
Через главные контакты в автоматическом выключателе при нормальной эксплуатации протекает номинальный ток. Механизм свободного расцепления коммутационного аппарата имеет чувствительные элементы (например, поворотная отключающая рейка). Воздействие расцепителя на эти элементы способствует мгновенному автоматическому срабатыванию, то есть расцеплению контактной системы.
 
Максимальный расцепитель тока (МРТ) – расцепитель, вызывающий размыкание главных контактов с выдерживанием некоторого промежутка времени или без него, как только действующее значение тока превышает заданный порог.
МРТ с обратнозависимой выдержкой времени – максимальный расцепитель тока, инициирующий расцепление контактов после истекания заданного времени, которое обратнозависимо от силы тока.
МРТ прямого действия – максимальный расцепитель тока, инициирующий срабатывание непосредственно от действующего сверхтока.
 
Определения максимального расцепителя тока, тока КЗ и перегрузки взяты (перефразированы без потери смысла) из стандарта ГОСТ Р 50345.
 
 

Виды расцепителей, применяемых в автоматических выключателях

В автоматические выключатели устанавливается один или комбинация, из указанных ниже расцепителей:
  • обеспечивают базовую защиту от сверхтоков, заводские настройки не меняются в процессе эксплуатации:
    • тепловой расцепитель или расцепитель перегрузки;
    • электромагнитный расцепитель или расцепитель короткого замыкания;
  • один из предложенных ниже заменяет первые два, в процессе эксплуатации допускается регулировка (время выдержки при сверхтоке для обеспечения селективности, какой ток считать перегрузкой, какой коротким замыканием):
    • полупроводниковый расцепитель;
    • электронный расцепитель;
  • дополнительные расцепляющие устройства для расширение функциональности:
    • независимый расцепитель;
    • расцепитель минимального напряжения;
    • расцепитель нулевого напряжения.
Основные различия теплового и электромагнитного расцепителя
Тепловой расцепитель Электромагнитный расцепитель
распознаёт перегрузку
(ток превышающий номинальный на 30% и более)
распознаёт короткое замыкание
(ток превышающий номинальный в несколько раз)
время срабатывания обратно пропорционально воздействующему току
(чем больше ток, тем быстрее вызывается срабатывание)
срабатывает мгновенно
 
Следует принять во внимание, что дешёвыми устройствами являются электромагнитный и тепловой расцепители. Автоматические выключатели укомплектованные полупроводниковым или электронным расцепителем (они функционально заменяют сочетание теплового и электромагнитного расцепителя) стоят от 1200 $ и выше, поэтому их применяют как вводные аппараты на номинальные токи от 630А (бывают редкие исключения меньшего ампеража).
 
 

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, которая при нагревании изгибается и воздействует на механизм свободного расцепления.
Биметаллическую пластину изготавливают методом механического соединения двух металлических лент. Выбираются два материала с разными коэффициентами температурного расширения и соединяются между собой с помощью спаивания, заклёпывания или свариваются.
Допустим, нижний материал в биметаллической пластине при нагревании удлиняется меньше, чем верхний металл, тогда изгиб произойдёт вниз.
 
Тепловой расцепитель защищает от токов перегрузки и настраивается на определённые режимы срабатывания.
 
Например, для изделия серии ВА 51-35 расцепитель перегрузки калибруется при температуре +30ºС на:
  • условный ток нерасцепления 1,05·In (время 1 час для In ≤ 63А и 2 часа для In ≥ 80А);
  • условный ток расцепления 1,3·In для переменного тока и 1,35·In для постоянного тока.
Обозначение 1,05·In – означает кратность номинальному току. Например, при номинальном токе In = 100А условный ток нерасцепления равен 105А.
На времятоковых характеристиках (графики всегда имеются в заводских каталогах) наглядно показывается зависимость времени срабатывания теплового и электромагнитного расцепителей от значения протекающего сверхтока.
 
Преимущества:
  • нет трущихся поверхностей;
  • обладают хорошей вибростойкостью;
  • легко переносят загрязнение;
  • простота конструкции → низкая цена.
Недостатки:
  • постоянно потребляют электрическую энергию;
  • чувствительны к изменениям температуры окружающей среды;
  • при нагреве от сторонних источников могут вызывать ложные срабатывания.

 

Электромагнитный расцепитель

Фото электромагнитного расцепителя автоматического выключателя АП50БЭлектромагнитный (аббревиатура ЭМ) расцепитель является устройством мгновенного действия. Представляет собой соленоид, сердечник которого воздействует на механизм свободного расцепления. При протекании по обмотке соленоида сверхтока, создаётся магнитное поле, которое перемещает сердечник, с преодолением сопротивления возвратной пружины.
 
ЭМ расцепитель настраивается на срабатывание при токах КЗ значениями от 2 до 20 In. Погрешность настройки варьируется в пределах ±20% от заданного значения.
 
Для силовых автоматических выключателей уставку срабатывания при коротком замыкании (значение тока, при котором инициируется расцепление) могут указывать как значением в амперах, так и в кратности номинальному току. Встречаются уставки:
  • 3,5·In;
  • 7·In;
  • 10·In;
  • 12·In;
  • и другие.
Например, при номинальном токе автомата In = 200А, при уставке 7·In расцепление наступит при достижении сверхтоком значения 7 · 200 = 1400А.
 
Для модульных автоматических выключателей согласно ГОСТ 50030.2-99 существуют типы защитных характеристик:
  • B (3-5);
  • C (5-10);
  • D (10-20);
  • Z (3,2-4,8);
  • L (6,4-9,6);
  • K (9,6-14,4)
В скобках указаны предельные значения от номинального тока In, при которых произойдёт расхождение контактов.
 
Достоинства:
  • простота конструкции;
  • стойкость к механическим нагрузкам (вибрации, удары).
Недостатки:
  • создаёт магнитное поле;
  • срабатывает мгновенно, без выдержки времени.
Под выдержкой времени понимается обеспечение селективности. Селективность или избирательность достигается, когда вводной автоматический выключатель распознаёт замыкание накоротко и некоторое заданное время пропускает его. Этого времени достаточно для срабатывая нижестоящего защитного устройства. В таком случае отключается не весь объект, а только повреждённая ветвь.
 
Аппараты с выдержкой времени или селективные – категория применения В (все автоматы с электронным или полупроводниковым расцепителем).
Аппараты мгновенного действия или неселективные – категория применения А (фактически все автоматические выключатели с электромагнитным расцепляющим устройством).
 
 

Термомагнитный или комбинированный расцепитель

Часто применяется последовательное соединение теплового и электромагнитного расцепителя. В зависимости от производителя, такое связывание двух устройств называют комбинированным или термомагнитным расцепителем. Словосочетание «термомагнитный расцепитель» зачастую используется в зарубежных каталогах и литературе.
 
Пример: изделия серии ВА57Ф35 с комбинированным расцепителем (тепловой + электромагнитный) изготовления «Курского электроаппаратного завода».
 
 

Полупроводниковый расцепитель

Полупроводниковый расцепитель складывается из блока управления, измерительных трансформаторов (для переменного тока) или магнитные усилители (для постоянного тока) и исполнительного электромагнита, который также выступает как независимый расцепитель.
Блок управления полупроводниковым расцепителем (БУПР) позволяет выстраивать определённую пользователем программу, по которой будет производиться расцепление главных контактов.
 
К таким настройкам в общем виде относятся:
  • регулировка номинального тока автомата;
  • настройка времени выдержки в зоне короткого замыкания, а также перегрузки;
  • уставка срабатывания при возникновении замыкания накоротко;
  • переключатели защиты от токов включения, от однофазного КЗ;
  • переключатель, отключающий выдержку времени при КЗ (переход из режима селективности в режим мгновенного действия).
Уставки по времени срабатывания могут быть обратно-квадратичной и обратно-кубической зависимости. При этом вводится понятие предельного тока селективности, то есть тока, при котором коммутационный аппарат ещё способен обеспечить выдержку (если КЗ окажется выше – просто произойдёт мгновенное размыкание контактной системы).
Все переключатели находятся под прозрачной крышкой, которую возможно опломбировать.
 
Пример: селективные выключатели ВА 55-41 и ВА 55-43 с полупроводниковым расцепителем на номинальные токи 1000А, 1600А и 2000А выпуска «КЭАЗ» и Ульяновского «Контактора».
 
Преимущества:
  • широкий набор регулировок под самые сложные схемы электроснабжения;
  • обеспечение селективности (избирательности), относительно последовательно подключённых автоматов с меньшими амперажами.
Недостатки:
  • высокая цена;
  • хрупкие элементы управления.
 

Электронный расцепитель

Состоит в принципе из тех же частей, что и полупроводниковый расцепитель: исполнительный электромагнит, измерительные устройства и блок управления расцепителем.
 
Ступенчато устанавливается рабочий ток и время выдержки, гарантирует протекцию при однофазном замыкании и при пусковых токах.
Пример: изделия серии ВА 88-43 с электронным расцепителем выпуска компании «ИЭК».
 
Достоинства:
  • разнообразный выбор настроек нужных пользователю;
  • высокая точность исполнения заданной программы;
  • индикаторы работоспособности и причины срабатывания;
  • логическая селективность с вышестоящими и нижестоящими выключателями.
Минусы:
  • высокая цена;
  • хрупкий блок управления;
  • подверженность к воздействию электромагнитных полей.

 

Независимый расцепитель

С помощью независимого расцепителя (НР) осуществляют удалённое управление конкретным автоматическим выключателем. На катушку независимого расцепителя подаётся напряжение из цепи управления, создаётся магнитное поле, перемещается сердечник, воздействует на механизм свободного расцепления.
Управляющая цепь независимым расцепителем может быть с переменным или постоянным током (производитель указывает линейку напряжений).
НР допускает колебания рабочего напряжения в диапазоне от 0,7 до 1,2 от Un. Режим его работы кратковременный.
После срабатывания независимого расцепителя нужно идти к распределительному щиту и в ручную взводить автоматический выключатель, а затем производить его включение.
Альтернативой НР может служить электромагнитный привод – он позволяет дистанционно как отключать, так и включать автоматический выключатель.
 
Наиболее частое применение – дистанционное отключение коммутационного аппарата, контролирующего вентиляционную систему, при возникновении пожара. При фиксировании возгорания вентиляция выключается, чтобы в здание не нагнетался воздух (кислород).
 
 

Расцепитель минимального напряжения

Расцепитель минимального напряжения исполняет такие задачи:
  • отключает включённый автоматический выключатель без выдержки времени при падении напряжения от 0,7 до 0,35 от Un;
  • если напряжение выше значения 0,7 Un отключения не производится;
  • препятствует повторному включению при значении напряжения в сети ниже, чем 0,85 Un.

После срабатывания устройства требуется взведение механизма свободного расцепления в ручную, если не установлен электромагнитный привод.
 
 

Расцепитель нулевого напряжения

Функции расцепителя нулевого напряжения следующие:
  • вызывает расцепление главных контактов при напряжении от 0,35 до 0,1 от номинального;
  • не отключает включённый автомат при напряжении свыше 0,55 Un;
  • позволяет повторное включение при восстановлении напряжения более 0,85 от номинального.

Как и в случае с расцепителем минимального напряжения – требуется взведение автомата в ручную, а затем его включение.
 
Подробнее об устройстве независимого расцепляющего устройства, нулевого и минимального расцепителя напряжения читай здесь.
 
 

Явления, вызываемые сверхтоками

При появлении тока короткого замыкания возникают следующие явления:

  • электродинамические силы;
  • магнитное поле;
  • тепловое напряжение (перегрев).
При перегрузке определяющим фактором остаётся перегрев токопроводящих частей.
 
Электродинамические силы
Электродинамические силы воздействует на проводник, с протекающим по нему током, который находится в магнитном поле с индукцией В.
При протекании номинального тока электродинамические силы незначительны, но при появлении тока КЗ эти силы могут привести не только к деформации и поломке отдельных частей коммутационного аппарата, но и разрушению самого автомата.
Производятся специальные расчёты на электродинамическую стойкость, которые особенно актуальны при тенденции к уменьшению габаритных характеристик (сокращаются расстояния между токопроводящими частями).
 
Магнитное поле
Магнитное поле является одним из факторов, порождающих электродинамические силы.
Магнитные поля отрицательно влияют на работу электрооборудования, особенно это касается измерительных приборов и компьютеров.
 
Тепловое напряжение (перегрев)
При протекании через проводник любого тока с силой I, его жила разогревается, что может привести к возгораниям или повреждению изоляции.
При возникновении сверхтоков перегрев имеет актуальное значение, если не блокировать КЗ, давая достигать максимальных значений.