Устройство и принцип работы автоматического выключателя

Введение

Автоматический выключатель (часто называемый просто «автомат») – это основной элемент защиты электрических цепей от перегрузок и коротких замыканий. В бытовых электрощитках автоматы заменили устаревшие плавкие предохранители, обеспечивая более удобную и надёжную защиту электропроводки. В отличие от плавкой вставки предохранителя, автоматический выключатель рассчитан на многократное использование: после срабатывания его достаточно вновь включить вручную, тогда как перегоревший предохранитель нужно заменять. Автомат сохраняет стабильность своего порога срабатывания на протяжении всего срока службы, тогда как характеристики предохранителя могут меняться со временем.

Назначение и принцип действия

Основная задача автоматического выключателя – следить за величиной тока в цепи и размыкать контакты, если ток превышает допустимый порог. При нормальной работе автомат просто проводит электрический ток, как обычный выключатель. Однако при возникновении перегрузки (увеличение тока сверх номинала из-за подключения слишком мощной нагрузки) либо короткого замыкания (резкий скачок тока при прямом замыкании фазы на ноль или землю) автоматический выключатель должен быстро отключить цепь. Для этого внутри автомата предусмотрены два вида защитных расцепителей – тепловой и электромагнитный, работающие в тандеме.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, через которую проходит рабочий ток. Если ток превышает номинальный, пластина нагревается и изгибается (поскольку сделана из двух слоёв металлов с разным тепловым расширением). При существенной перегрузке изгиб пластины достигает определённой точки, нажимает на рычаг спускового механизма – и контакты автомата размыкаются. Особенность теплового расцепителя в том, что его срабатывание не мгновенно: время отключения зависит от величины превышения тока. Небольшая перегрузка (например, 10–20% свыше номинала) может вызывать отключение через несколько минут, тогда как значительная (в несколько раз выше номинала) разогревает пластину быстрее и приводит к срабатыванию за секунды. Такая зависимость заложена конструктивно и отображается во времятоковой характеристике автомата (подробнее о ней – ниже). После отключения и остывания биметаллической пластины автомат готов к повторному включению, что выгодно отличает его от одноразового предохранителя.

Кроме теплового элемента, каждый автомат оснащён электромагнитным расцепителем мгновенного действия. Он выполнен в виде соленоида – катушки с сердечником. Когда через автомат проходит чрезвычайно большой ток (характерный для короткого замыкания), магнитное поле соленоида резко втягивает подвижный металлический сердечник. Тот ударяет по механизму расцепления и мгновенно размыкает силовые контакты автомата. Срабатывание электромагнитного расцепителя происходит за доли секунды, предотвращая развитие аварийного сверхтока. Порог чувствительности соленоида настроен выше, чем у теплового элемента, чтобы исключить ложные отключения при кратковременных пусковых токах бытовых приборов. В зависимости от требуемой чувствительности выделяют различные типовые категории автоматов (характеристики) – об этом мы ещё скажем далее. Автомат сконструирован так, чтобы механизм свободного расцепления не позволял удерживать контакты замкнутыми силой рычага, если сработала защита. Даже если пользователь продолжает удерживать выключатель во включённом положении, срабатывание любого расцепителя автоматически разобщит контакты – это гарантирует надёжность защиты.

Дугогашение при отключении

Когда автомат разрывает цепь под токовой нагрузкой, между расходящимися контактами возникает электрическая дуга. В бытовых автоматах для её подавления используется компактная дугогасительная камера – набор металлических пластин и пластинчатых решёток внутри корпуса. Дуга, втягиваемая электромагнитным полем и потоками раскалённого газа, дробится на мелкие участки между пластинами, быстро охлаждается и гаснет. Это предотвращает подгорание контактов и корпуса. Тем не менее у каждого автомата существует предельная отключающая способность – максимальный ток короткого замыкания, при котором устройство ещё способно разорвать цепь, не выйдя из строя. Для популярных серий бытовых автоматов эта способность обычно составляет от 4,5 до 10 кА (тысяч ампер). Например, распространены модульные автоматы с отключающей способностью 6000 A (указывается на корпусе как «6 kA») – этого достаточно для квартир и частных домов, где максимальные токи КЗ редко превышают данный уровень. При выборе автомата важно обращать внимание на этот параметр: если предполагаемый ток короткого замыкания в сети высок (близко к подстанции или вводной распределительной панели), стоит использовать аппараты с большей отключающей способностью (10 кА и более), иначе при аварии автомат может не справиться с отключением.

Время-токовые характеристики

На рисунке представлена нормативная зависимость времени отключения t от кратности тока I/In. Ось абсцисс соответствует отношению тока в цепи к номинальному току автоматического выключателя, ось ординат — времени отключения в секундах в логарифмическом масштабе. Характеристика имеет инверсный вид: с увеличением тока время отключения уменьшается.

В зоне действия теплового расцепителя характеристика задаётся в виде допускаемой области срабатывания, учитывающей тепловое состояние автоматического выключателя. Согласно требованиям стандарта, при токе 1,13·In автоматический выключатель не должен срабатывать в течение 1 часа, а при токе 1,45·In он обязан сработать за время менее 1 часа. При токе 2,55·In время отключения должно находиться в пределах 1–60 с для автоматов с номинальным током до 32 А и 1–120 с для автоматов с номинальным током свыше 32 А.

В зоне действия электромагнитного расцепителя обеспечивается мгновенное отключение цепи при токах короткого замыкания. Для автоматических выключателей с характеристикой B мгновенное расцепление происходит в диапазоне 3–5·In, с характеристикой C — 5–10·In, с характеристикой D — 10–20·In. Указанные диапазоны определяют границы начала и гарантированного отключения при времени срабатывания менее 0,1 с.

Конструкция бытовых и промышленных автоматов

В домашней электропроводке сегодня применяются в основном модульные автоматические выключатели – устройства в изоляционном корпусе стандартного размера, устанавливаемые на DIN-рейку. Они обычно рассчитаны на токи от долей ампера до 63–100 A, что покрывает нужды квартир и частных домов. Модульные автоматы компактны, их ширина кратна 18 мм («1 модуль» на полюс), поэтому в щитке можно разместить несколько десятков аппаратов. Конструкция таких автоматов унифицирована: внутри каждого – те же базовые узлы (контакты, две системы дугогашения, два вида расцепителей и механизм привода). По числу полюсов различают однополюсные (на фазный провод), двухполюсные (одновременно отключают фазу и ноль), трёх- и четырёхполюсные автоматы для трёхфазных сетей. В быту чаще всего используются 1P и 2P автоматы на 230 В, тогда как 3P/4P на 380 В применяются в частных домах с трёхфазным вводом либо в промышленных цехах.

Внутреннее устройство

• Нижняя клемма — точка подключения отходящего проводника к нагрузке.
• Верхняя клемма — точка подключения питающего проводника.
• Неподвижная контактная накладка — увеличивает площадь контакта и снижает переходное сопротивление.
• Неподвижный контакт — образует силовую контактную пару с подвижным контактом.
• Шток подвижного контакта — замыкает и размыкает электрическую цепь при включении и срабатывании защиты.
• Дугогасительный электрод — направляет электрическую дугу в дугогасительную камеру при размыкании контактов.
• Дугогасительная камера — гасит электрическую дугу путём её разделения и охлаждения.
• Соединительный провод A — подводит ток от контактной группы к электромагнитному расцепителю.
• Электромагнитная катушка — обеспечивает мгновенное отключение при коротком замыкании.
• Магнитопровод (ярмо) — замыкает магнитный поток и передаёт усилие от катушки к механизму отключения.
• Соединительный провод B — подводит ток от электромагнитного расцепителя к тепловому расцепителю.
• Биметаллическая пластина — отключает автомат при длительной перегрузке по току.
• Медная соединительная пластина — обеспечивает жёсткое электрическое соединение элементов токовой цепи.

Для высоких токов и промышленного применения существуют автоматические выключатели в литом корпусе и воздушные автоматические выключатели. Это более крупные устройства, способные коммутировать сотни и тысячи ампер. Они нередко имеют встроенные регулируемые расцепители или даже электронные и микропроцессорные блоки защиты, позволяющие точно настраивать токи и временные задержки срабатывания под требования конкретной установки.

Например, компания ABB выпускает серию $T_{max}$ – универсальные силовые автоматические выключатели в литом корпусе, рассчитанные на токи до нескольких сотен ампер и пригодные как для промышленности, так и для ввода в большие жилые здания. Внешне такие аппараты отличаются: вместо рычажка у них часто массивная рукоятка или рычаг взвода, возможна выкатная конструкция (для установки в выдвижных ячейках), дополнительные вспомогательные контакты и моторные приводы. Тем не менее принцип действия остаётся аналогичным – сочетание теплового и электромагнитного расцепителей для защиты от перегрузки и короткого замыкания. Промышленные автоматы также имеют значительно больший ресурс коммутаций и повышенную дугогасительную способность. В данной статьи мы упоминаем их для полноты картины, но основной упор сделан на бытовые модульные автоматы, с которыми чаще всего сталкиваются начинающие электрики.

Отличия автоматического выключателя, предохранителя и УЗО

Автомат и предохранитель выполняют похожую функцию – защиту цепи от недопустимого тока – но принципиально различаются по конструкции. Плавкий предохранитель – это наиболее простое устройство защиты: внутри него находится тонкая проволока (плавкая вставка), рассчитанная на определённый ток. При превышении тока проволока нагревается и перегорает, разрывая цепь. Предохранители одноразовые, после срабатывания требуют замены плавкой вставки на новую. Автоматический выключатель, как мы уже обсудили, многоразовый: он комбинирует тепловое реле (аналогичное по функции плавкой вставке, но не разрушающееся при перегреве) и мгновенный электромагнитный выбрасыватель. Преимущество автомата – удобство и быстрота восстановления питания (достаточно просто снова включить рычаг после устранения неполадки) и стабильная работа в долгосрочной перспективе. Достоинство же предохранителя – простота и дешевизна; кроме того, отсутствие подвижных частей позволяет предохранителю работать даже в экстремальных условиях (например, при очень высоких температурах окружающей среды или сильных ударных воздействиях) – там, где автоматический механизм мог бы отказать. В бытовой практике автоматы практически полностью вытеснили предохранители-пробки, поскольку для жильцов куда безопаснее и проще управляться с выключателем, чем менять проволочки или вставки. Сегодня предохранители обычно применяются либо как резервная (дублирующая) ступень защиты в электрощитах, либо в аппаратах, где нужны очень высокие быстродействие и селективность (например, в промышленной электронике, автомобильных цепях и т.п.).

Теперь об отличиях автоматического выключателя и устройства защитного отключения (УЗО). Эти два прибора часто стоят рядом в щитке и внешне похожи форм-фактором, но предназначены для разных видов защиты. Автомат реагирует на превышение тока в самой цепи (перегрузка или короткое замыкание), тем самым защищая проводку и оборудование от перегрева и разрушения. УЗО же отслеживает ток утечки на землю – то есть разницу токов между фазным и нейтральным проводниками. Если часть тока «уходит» в сторону (например, через тело человека, прикоснувшегося к повреждённому прибору, или по пути пробоя изоляции на заземлённый корпус), то такая разность токов вызывает срабатывание УЗО и отключение цепи. Проще говоря, УЗО защищает людей от поражения электрическим током и предотвращает пожары при утечках, но не защищает от перегрузки. Внутри устройства защитного отключения нет ни биметаллической пластины, ни соленоида на большой ток – там установлен дифференциальный трансформатор с чувствительным механизмом, реагирующим на ток утечки порядка миллиампер. Поэтому УЗО всегда ставится в паре с автоматом: либо последовательно (после вводного автомата на ту же линию), либо реализуется в виде объединённого прибора – так называемого дифференциального автомата. Дифференциальный автомат совмещает функции обоих устройств: он имеет и тепловой/электромагнитный расцепитель для защиты от сверхтоков, и дифференциальный модуль для утечек. В обозначениях такой прибор обычно маркируется как АВДТ – автоматический выключатель дифференциального тока. Начинающему специалисту важно понимать эту разницу: обычное УЗО без встроенной защиты от сверхтока не спасёт проводку при коротком замыкании или перегрузке – в такой ситуации сработает автомат (если он установлен до или после УЗО в схеме). И наоборот, один лишь автомат не чувствует утечки на землю, поэтому не может предотвратить удар током, если человек случайно коснётся оголённого провода – эту задачу решает УЗО (срабатывающее обычно при утечке 10 или 30 мА). Автоматический выключатель, предохранитель и УЗО – три разных защитных аппарата: первый предохраняет сеть от токовых аварий, второй делает то же самое разовым «жертвенным» способом, а третье устройство защищает людей от поражения и дополняет первые два.

Примеры популярных производителей и моделей

Рынок электротехнической продукции предлагает широкий выбор автоматических выключателей для бытового и промышленного применения. Новичкам полезно знать основных авторитетных производителей и линейки оборудования:

– ABB – шведско-швейцарская компания, считающаяся одним из лидеров в качестве и надёжности автоматов. Бытовые модульные автоматы ABB широко известны сериями S20x и SH20x. Их отличительная черта – высокая перегрузочная способность, прочная конструкция (большее число крепёжных элементов внутри) и использование негорючих материалов корпуса.

Например, серия ABB S201 (однополюсные автоматы) имеет отключающую способность 6 кА и доступна в типах B, C, D. Серия SH200 – более бюджетный вариант ABB, рассчитанный на 4,5 кА отключающего тока. Для промышленных целей ABB выпускает серию $T_{max}$ (упомянутую ранее) и $E_{max}$ – мощные автоматические выключатели в литом корпусе и открытые (воздушные) выключатели на токи от сотен до тысяч ампер.

– Schneider Electric – французский производитель, чьи автоматы также входят в топ-качество и применяются повсеместно. Специально для жилья Schneider предлагает серию «Домовой» – аппараты, адаптированные к российским реалиям (номиналы, характеристики).

Также популярны их линии Easy9 (экономичный сегмент) и Acti 9 (премиальная серия). Автоматы Schneider Acti 9 отличаются повышенной электрической и пожарной безопасностью, устойчивы к ультрафиолету и рассчитаны на работу в нестандартных условиях окружающей среды. В маркировке Schneider часто можно увидеть надпись iC60 – это обозначение модульных автоматов Acti 9, за которым следуют буквы типа и номинал (например, iC60N C16).

– Legrand – ещё один французский бренд, выпускающий надежные и удобные в монтаже автоматы.

Для квартир и домов Legrand предлагает серию TX3 – компактные модульные автоматы с базовыми характеристиками, достаточными для бытовой сети. Для более широкого применения (в том числе на производствах) предназначена серия DX3, которая включает автоматы на токи до 125 A и с высокой отключающей способностью. Продукция Legrand славится продуманной конструкцией клемм и аксессуаров (например, гребёнчатых шин для соединения автоматов между собой), что упрощает сборку щитов. По качеству Legrand сопоставим с ABB, хотя обычно несколько дороже.

– IEK – российский производитель (также заводы в Китае), чья продукция привлекательна в первую очередь низкой ценой.

Автоматы IEK серии ВА47-29 стали фактически стандартом массового строительства благодаря доступности. Эти аппараты выпускаются с характеристиками B, C и D (последняя – в основном для трёхфазных нагрузок). Однако электротехнические специалисты часто отмечают, что ресурс и точность срабатывания у IEK уступают импортным брендам. При покупке нужно быть внимательным: на рынке встречаются подделки популярных серий IEK, отличающиеся по качеству и даже внутренней конструкции. Тем не менее оригинальные автоматы IEK, произведённые по ГОСТ, в целом справляются со своими функциями в бытовых условиях, хотя и имеют меньший запас прочности. Их применяют там, где бюджет ограничен, либо как временное решение.

Помимо вышеперечисленных, достойны упоминания такие бренды, как Siemens (Германия, серия 5SL/5SY), Hager (Германия/Франция), Eaton (Moeller), General Electric, Schneider EKF/DEKraft (локализованные доступные линейки), а также отечественные KEAZ (Курский электроаппаратный завод) и TDM. Выбор производителя зависит от требований к надёжности и финансовых возможностей: как правило, экономия на автомате может обернуться большими рисками, поэтому для ответственных участков сети (ввод в дом, линия на кухню и санузел, питающая мощную технику) лучше использовать продукцию проверенных фирм.

На что обращать внимание при выборе автомата

При подборе автоматического выключателя для дома или квартиры необходимо учесть несколько основных параметров:

• Номинальный ток (In). Это «ток отсечки» теплового расцепителя, который автомат может проводить неограниченно долго. Номинал выбирается исходя из сечения проводников и планируемой нагрузки линии. Нельзя ставить автомат с током выше, чем позволяет кабель (иначе проводка при перегрузке может загореться раньше, чем сработает защита). Стандартные значения номиналов: 6 A, 10 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 50 A, 63 A и т.д. Для примера, на освещение обычно ставят 6–10 A, на розеточные группы – 16–25 A (в зависимости от мощности потребителей и сечения провода 2,5 мм²), на электроплиту – 32–40 A (под кабель 6 мм²). Если автомат нужен для ввода в квартиру (общий выключатель), его номинал обычно равен или чуть меньше выделенной на квартиру мощности в пересчёте на ток.
• Класс срабатывания (тип B, C, D…). Как мы подробно рассмотрели, эта буква определяет чувствительность электромагнитного расцепителя к всплескам тока. В подавляющем большинстве бытовых случаев подойдут автоматы типа C – они выдерживают кратковременные броски тока от холодильников, пылесосов, БП компьютеров и др. Тип B можно применять для линий с исключительно «мягкой» нагрузкой (лампы накаливания, обогреватели без двигателей), но ощутимого преимущества в доме он почти не даёт. D ставят только при наличии специфического оборудования – например, мощного электродвигателя компрессора или сварочного аппарата, где даже при нормальном пуске ток кратно превышает номинальный. Учтите: установка автомата D вместо нужного C неоправданна, так как при аварии (реальном коротком замыкании) он сработает заметно позже, чем C, что может быть опасно. Поэтому тип автомата подбирают под характер нагрузки. Эта информация указывается производителем на корпусе, и её всегда следует проверять при покупке.
• Отключающая способность. Для квартиры в городе, питающейся от трансформаторной подстанции, обычно берут автоматы минимум на 6000 A (6 кА) предельного тока отключения. В дачном доме с длинной линией от ввода можно использовать и 4500 A (4,5 кА), если это допускается правилами – там ток КЗ из-за удалённости трансформатора невелик. Но в целом, рекомендация – ставить 6 кА на групповые автоматы и не менее 10 кА на вводной автомат, особенно в современных новостройках, где трансформаторы мощные и токи короткого замыкания высоки. На корпусе автоматов указывается этот параметр (обычно мелкими цифрами в прямоугольной рамке, например «6000» или «10000»). На фото ниже показаны автоматы ABB S203 серии S200: маркировка «C25» обозначает тип C, 25 A, а цифра 6000 чуть ниже – именно предельный отключаемый ток в амперах.
• Число полюсов. Однополюсный автомат разрывает только фазный провод, оставляя нейтраль подключенной. В 230 В сетях это допустимо и широко практикуется (размыкание фазы обеспечивает безопасность). Однако в ряде случаев ставят двухполюсные автоматы – они одновременно отключают фазу и ноль. Двухполюсник целесообразен на вводе в квартиру (для полного обесточивания), а также в любых линиях, отходящих непосредственно от счётчика, и в сетях с изолированной нейтралью. В группе розеток ванной или кухни иногда тоже используют общий дифавтомат 2P для отключения обеих проводников при утечке. В трёхфазных цепях применяются трёхполюсные автоматы (отключают 3 фазы) или четырёхполюсные (3 фазы + нейтраль, обычно совместно с УЗО). Выбор полюсности должен соответствовать схеме питания объекта.
• Производитель и качество. Не последнюю роль играет бренд автомата. Как было отмечено, продукция ABB, Schneider, Legrand зарекомендовала себя надёжностью и точным соответствием характеристикам. Дешёвые ноунейм автоматы могут стоить вдвое-втрое дешевле, но их использование рискованно: они могут не выдерживать заявленного тока или срабатывать с большим разбросом параметров. К тому же пластик корпуса у дешёвых приборов часто менее термостоек. В целях пожарной безопасности лучше выбирать автоматы из среднего и высокого ценового сегмента от известных компаний. При покупке обращайте внимание на наличие сертификатов (соответствие ГОСТ или IEC), а также остерегайтесь подделок популярных марок (при подозрительно низкой цене у «ABB» или «Schneider» велик шанс контрафакта).
• Дополнительные параметры. В специальных случаях учитывают рабочую температуру окружающей среды (например, для автомата в бане или неотапливаемом гараже – холод может слегка замедлять тепловой расцепитель), возможность подключения дополнительных аксессуаров (сигнальных контактов, расцепителей минимального напряжения и пр.), габариты, способ крепления проводов (винтовые клеммы или быстрые зажимы) и т.д. Но для базового понимания главными остаются вышеописанные характеристики: ток, время-токовой тип, отключающая способность и полюсность.