для чего нужен тепловой расцепитель
Описание параметра «Тип встроенного расцепителя»
Различают следующие типы расцепителей:
Устройство расцепителей
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.
Электромагнитный расцепитель
Электромагнитный 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 может настраиваться (на заводе производителе или потребителем) на срабатывание при токах КЗ значениями от 2 до 20 In. Погрешность настройки варьируется около ±20% от заданного значения силы тока для выключателей в литом корпусе.
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: 3,5In; 7In, 10In; 12In и другие.
Термомагнитный расцепитель
Часто применяется последовательное соединение теплового и электромагнитного расцепителя. В зависимости от производителя, такое связывание двух устройств называют комбинированным или термомагнитным расцепителем.
Термомагнитный или комбинированный расцепитель
Термомагнитный расцепитель с защитой от токов утечек
Автомат с данными расцепителями кроме теплового и электромагнитного расцепителей имеет блок способный обнаружить ток повреждения на землю с помощью тороидального трансформатора, который охватывает все токоведущие части, а также нейтраль, если она распределена. Расцепители токов утечки на землю могут использоваться в сочетании с автоматическим выключателем для обеспечения двух основных функций в одном устройстве:
Электронный расцепитель
Расцепитель, соединенный с измерительными трансформаторами тока (три или четыре, в зависимости от количества защищаемых проводников), которые установлены внутри автоматического выключателя и обеспечивают двойную функцию: подачи питания для нормального управления расцепителем и обнаружения значения тока, который проходит в токоведущих частях. Поэтому они совместимы только с сетями переменного тока.
Сигнал от трансформаторов обрабатывается электронной частью (микропроцессор), который сравнивает его с заданными уставками. Когда сигнал превышает порог, расцепитель автоматического выключателя воздействует непосредственно на узел свободного расцепления выключателя при помощи отключающей катушки.
Блок управления расцепителем позволяет выстраивать определённую пользователем программу, по которой автоматический выключатель будет производить расцепление главных контактов.
Тепловой расцепитель автоматического выключателя
Частью конструкции автоматического выключателя (автомата) является тепловой расцепитель. Дело в том, что внутри автоматического выключателя реализовано сразу два пути защиты от токовой перегрузки:
электромагнитный расцепитель, размыкающий цепь при превышении номинального тока в разы (при коротком замыкании) ;
тепловой расцепитель, срабатывающий при меньших токах перегрузки, но обладающий, однако, меньшим быстродействием чем его электромагнитный соратник.
Разумеется, при прохождении по проводке тока немного большего, чем ее расчетный ток, проводка не перегорит, поэтому быстродействия теплового расцепителя обычно достаточно.
Кинематическая схема автоматического выключателя:
1 – тепловой расцепитель; 2 – электромагнитный расцепитель; 3 – минимальный расцепитель; 4 – независимый расцепитель; 5 – электромагнитный привод; 6 – рукоятка управления; 7 – пружина, ускоряющая отключение; 8, 9, 10 – механизм свободного расцепления; 11 – подвижный контакт; 12 – неподвижный контакт; 13 – контактная пружина.
Расцепители – устройства, обеспечивающие автоматическое размыкание контактов посредством воздействия на механизм свободного расцепления в аварийном режиме работы цепи или служащие для дистанционного отключения выключателя.
Устройство автоматического выключателя:
Время-токовая характеристика — зависимость времени срабатывания аппарата защиты (времени плавкой перегорания вставки предохранителя) от значения тока, протекающего через его измерительный элемент (плавкую вставку предохранителя), нагревательный элемент электротеплового реле. Иногда можно встретить другие названия время-токовой характеристики — ампер-секундная характеристика или просто — защитная характеристика.
Время-токовая характеристика – это основная характеристика автоматического выключателя отражающая зависимость времени срабатывания автоматического выключателя при возникновении аварийного режима от величины тока цепи. Она имеет вид гиперболы, поэтому чем больше протекающий через аппарат защиты ток, тем меньше время его срабатывания. Однако данное время не может быть меньше собственного времени срабатывания.
В зависимости от типа установленных в автоматическом выключателе расцепителей, он может иметь такие времятоковые характеристики, как:
зависимая от тока характеристика времени срабатывания. Такую характеристику имеет тепловой расцепитель. Она характеризуется током срабатывания при перегрузке, а время срабатывания зависит от величины тока.
независимая от тока характеристика времени срабатывания. Такую характеристику имеет электромагнитный расцепитель. Она характеризуется током срабатывания отсечки. Срабатывание может быть мгновенным или с выдержкой времени;
ограниченно зависимая от тока (двухступенчатая) характеристика времени срабатывания. Такую характеристику имеет комбинированный расцепитель (тепловой и электромагнитный).
Время-токовая характеристика, для упрощения, может изображаться одной линией, проходящей в середине оны срабатывания.
Тепловой расцепитель построен на основе биметаллической пластины, которая разогревается от проходящего через нее тока, при этом постепенно изгибается, если ток становится все выше и выше относительно номинального для данного автомата (типового, который значится в маркировке), что в конце концов приводит к размыканию защищаемой этим автоматом цепи. Когда пластина изгибается, усилие ее изгиба передается на тягу, которая в свою очередь давит на курок механизма расцепления.
Устройство теплового расцепителя автоматического выключателя:
Работа теплового расцепителя:
Холодный автомат при токе в 2,55 раза больше номинального разомкнет цепь максимум через одну минуту, а в горячем состоянии — через несколько секунд (это справедливо для автоматов номиналом до 32А). Поэтому выбирая автомат для своего щитка необходимо понимать, что номинальный ток автомата — это не ток его срабатывания.
Предельно допустимый ток для проводки, при котором должно происходить отключение автомата, желательно сопоставлять с время-токовой характеристикой выбираемого автомата, ориентируясь на его тип (B, C, D).
Биметаллическая пластина автоматического выключателя представляет собой две плотно прижатые друг к другу, но не сплавленные, металлические полосы, изготовленные из металлов с различными коэффициентами теплового расширения. Две полосы скреплены друг с другом с одного конца пайкой или сваркой. Другие их концы закреплены в корпусе выключателя неподвижно.
Когда автоматический выключатель установлен в цепь, биметаллическая пластина оказывается включена в эту цепь последовательно с нагрузкой. В результате её нагревания проходящим электрическим током, пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. В случае перегрузки изгиб пластины обеспечивает отключение автоматического выключателя путем активации механизма разъединения.
Обозначение теплового расцепителя на корпусе выключателя Hager:
Когда автоматический выключатель только пребывает на стадии изготовления, ток срабатывания теплового расцепителя настраивается при помощи специального регулировочного (юстировочного) винта, который скрыт внутри автомата и находится возле одной из его клемм.
Как только автомат сработал, его биметаллическая пластина начинает остывать и выпрямляться, так что через некоторое время автомат снова готов к полноценной работе, стоит только заново взвести его рычаг. Подобными способностями плавкий предохранитель не похвастается.
Расцепитель
Определение расцепителя
Основным расцепителем (первая группа), применительно к автоматическому выключателю, называется устройство способное распознавать критическую ситуацию (появление сверхтока) и заблаговременно пресекать её развитие (вызывать расхождение главных контактов).
Вспомогательные расцепители – дополнительные устройства (ими не комплектуют базовые исполнения автоматов, а снабжают лишь заказные специальные исполнения):
Определения терминов
Под сверхтоком понимают силу тока превышающую 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 50345.
В видеоролике кратко рассказано о конструкции автоматического выключателя, в частности о тепловых и электромагнитных расцепителях:
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. Выбирают два материала с разными коэффициентами температурного расширения и соединяются между собой с помощью спаивания, заклёпывания или сваривают.
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 расцепители перегрузки калибруют при температуре +30 °С на:
Электромагнитный расцепитель
Электромагнитный (аббревиатура ЭМ) расцепитель является устройством мгновенного действия. Представляет собой соленоид, сердечник которого воздействует на механизм свободного расцепления. При протекании сверхтока по обмотке соленоида, рождается магнитное поле, которое перемещает сердечник, с преодолением сопротивления возвратной пружины.
ЭМ расцепитель настраивают 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:
Например, при номинальном токе автомата In = 200 А, при уставке 7·In расцепление наступит при достижении сверхтоком значения 7 · 200 = 1400 А.
Для модульных автоматических выключателей согласно ГОСТ 50030.2-99 существуют типы защитных характеристик:
В скобках указаны предельные значения от номинального тока In, при которых произойдёт расхождение контактов.
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 используют 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 относят:
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 1000 А, 1600 А и 2000 А выпуска «КЭАЗ» и Ульяновского «Контактора».
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».
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.
Независимый расцепитель может быть рассчитан на переменный или постоянный ток (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 отключать 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 нулевого напряжения
Как и в случае с расцепителем минимального напряжения – требуется взведение автомата вручную, а затем его включение.
Подробнее об устройстве независимого расцепляющего устройства, нулевого и минимального расцепителя напряжения читайте здесь.
Явления, вызываемые сверхтоками
При появлении тока короткого замыкания возникают следующие явления:
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 полюсов).
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.
Как не оконфузиться при выборе автоматического выключателя
Краткая заметка по поводу выбора автоматических выключателей. Искренне надеюсь, что читатель не узнает для себя ничего нового.
У поста есть видеоверсия на моем ютуб канале. Реалии времени заставляют меня делать еще и видео:
Определимся с целью
Номинальный ток
Поняв, что автоматический выключатель должен защитить кабельную линию от протекания тока свыше допустимого, мы должны понять, какой же ток допустимый. Чаще всего ссылаются на вот эту табличку из ПУЭ (таблица 1.3.4):
Но это график конкретного экземпляра автоматического выключателя. В реальном мире, у автоматических выключателей есть разброс характеристик, даже у выключателей взятых из одной коробки. Поэтому на графике изображена область, в которой окажется характеристика случайно взятого автоматического выключателя.
В результате, если взять определенный ток, то мы получим диапазон значений времени, за которое сработает автоматический выключатель. От и до, как например вот здесь:
Думаю очевидно, что в расчетах стоит полагать, что нам попался самый плохой экземпляр, и берется самое худшее значение.
До тока в 1,13 от номинального, расцепления совсем не произойдет (16*1,13=18,08А)
При токе в 1,45 от номинального тепловой расцепитель сработает, но за время менее 1 часа (!). (16*1,45=23,2А)
При токе в 2,55 от номинального тепловой расцепитель сработает за время менее 60 сек. (16*2,55= 40А)
Все это становится понятнее, если взглянуть на график:
Ну и чтобы совсем жизнь мёдом не казалась, стоит добавить, что в зависимости от температуры окружающей среды применяют коэффициенты. На жаре тепловой расцепитель прогревается и срабатывает быстрее, а вот на морозе наоборот.
Еще раз резюмирую: Номинальный ток автоматического выключателя НЕ РАВЕН предельно допустимому току кабеля. Предельный ток кабеля должен вызывать отключение автоматического выключателя в адекватное время.
Тип электромагнитного расцепителя
Дело в том, что некоторые виды потребителей при включении потребляют ток в разы, превышающий ток в рабочем режиме. Например мотор в пылесосе в момент включения кратковременно потребляет ток в 2-3 раза больший, но после разгона мотора, потребление снижается. Возможно вы замечали, как лампочки накаливания слегка притухают в момент включения чего-то как раз из-за этого. Вот график потребления тока мотора пылесоса:
Чтобы эти пусковые токи не заставляли сработать электромагнитный расцепитель, его характеристику сдвинули в зону бОльших токов, что бы такие кратковременные превышения тока были в зоне теплового расцепителя, который в силу своей инерционности такие краткосрочные процессы не замечает.
Вот они на графике:
Есть и другие характеристики (K, Z и т.д) но встречаются крайне редко и под заказ, поэтому опустим их.
Если по какой-то причине стартовые токи кратковременно попадут в зону действия электромагнитного расцепителя то возможны ложные срабатывания. И именно для исключения таких ложных срабатываний и сделали несколько типов характеристик.
Некоторые производители для упрощения указывают стартовые токи, вот например светодиодный драйвер уважаемой фирмы при включении кушает солидные 55А (из-за зарядки конденсатора в блоке питания), производитель даже сразу посчитал, сколько светодиодных драйверов можно подключить параллельно на один автоматический выключатель:
4 штуки с характеристикой В и 7 штук на автомат с характеристикой С. Кто бы мог подумать, что 150 ватт светодиодного света могут вышибать 16А автомат! Ситуация становится еще хуже, если используются некачественные светодиодные светильники, где производитель не только не предусмотрел плавный старт, да даже пусковой ток не регламентирует!
Ток короткого замыкания
А теперь смотрим. В деревне Вилларибо измеренный ток короткого замыкания линии 278 Ампер, и электрик поставил автоматический выключатель С16:
Для определения тока короткого замыкания есть специальные приборы. Показывать современные не интересно, поэтому покажу суровый советский олдскул, который есть у меня. М-417 измеряет сопротивление цепи путем измерения падения напряжения на известном сопротивлении, а ток короткого замыкания необходимо рассчитывать:
Как правило, ток короткого замыкания измеряют при введении линии в эксплуатацию, и планово, раз в несколько лет. Только после измерения тока короткого замыкания можно сказать, правильно ли подобрана защита.
Если ток короткого замыкания будет черезчур большим? Вот тут мы сталкиваемся с отключающей способностью автоматического выключателя. В момент размыкания контактов выключателя загорается электрическая дуга, которая сама по себе проводит ток и гаснет неохотно. Для ее принудительного разрушения в конструкции автоматических выключателей предусмотрены дугогасительные камеры. Вот здесь на высокоскоростной съемке видно как работает дугогасительная камера:
Для наглядности я их разобрал. Большая отключающая способность заставляет не только делать дугогасительные камеры больше, но и усиливать другие конструктивные части, например защиту от прогара вбок.
Отключающая способность автоматического выключателя должна быть больше тока короткого замыкания в линии. Как правило, 6000 А достаточно для большинства применений. 4500А обычно достаточно для работы в линиях старых домов, но может быть недостаточным в новых сетях.
Коммутационная стойкость
При каждом включении/отключении автомата меж контактов загорается дуга, которая постепенно разрушает контактную группу. Производитель часто указывает количество циклов включения/отключения, который должны выдержать контакты:
Отсюда легко видеть, что автоматический выключатель не замена нормальному выключателю при частом использовании. Если пожадничать, и вместо пускателя с контактором заставить сотрудника включать/отключать мешалку дергая автомат по 10 раз в день, то автомат может прийти в негодность менее чем за пару лет. Вот фото автоматического выключателя, контакты которого пришли в негодность из-за большого тока:
Помните, каждая коммутация и срабатывание автоматического выключателя «съедает» его ресурс.
Класс токоограничения
Наверное самая мистическая характеристика. Указывается в виде цифры в квадратике. Про нее в рунете написано мало и чаще ерунда. Класс токоограничения, если упрощать, говорит о количестве электричества, которое успеет пройти через автоматический выключатель при коротком замыкании прежде, чем он отключит цепь, и говорит о быстродействии. Всего классов три:
Селективность
В бытовой серии модульных автоматических выключателей обеспечивать селективность, даже частичную, довольно трудно. Лишь большие и мощные устройства защиты, например на подстанциях, имеют тонкие настройки уставок расцепителей для обеспечения селективности с вышестоящими устройствами защиты.
Да скажи уже что ставить!?
Прежде всего то, что предусмотрено проектом.
Ну а если уж совсем среднестатистический случай с кучей оговорок, то:
Применение автоматического выключателя с характеристикой «C» или «D» вместо «B» должно иметь вескую причину.
Плюшки
Автоматические выключатели разных производителей могут содержать разные приятности/полезности, которые напрямую на защитные функции не влияют, но могут быть полезны:
Это различные шторки/колпачки/крышечки для пломбирования вводного автомата по требованию электросетевой компании.
Это визуальный индикатор фактического состояния контактов, такой индикатор останется красным, если контакты из-за перегрузки сварились
Это окошки для дополнительных нашлепок с электромагнитными расцепителями, контактами
Это дополнительное окошко у клемм для использования гребенки при подключении
Резюме
Номинальный ток автоматического выключателя не равен предельно допустимому для кабеля! В силу особенностей конструкции автоматический выключатель может длительное время пропускать через себя токи значительно больше номинальных и не отключаться.
Разные типы электромагнитных расцепителей позволяют избежать ложных срабатываний, но использовать тип С, и в особенности тип D нужно понимая что к чему.
Если ток короткого замыкания в вашей линии огромен, то отключающая способность автоматического выключателя должна быть еще больше.
А чтобы знать ток короткого замыкания, его нужно измерить специализированным прибором. И только после измерения можно сказать, будет ли правильно работать защита
Хочу сказать спасибо всем, кто принимал участие в рецензировании черновика. Буду рад указаниям на фактические ошибки в статье и ценным дополнениям.