Как работают время-токовые характеристики автоматических выключателей и предохранителей

Электрический ток обладает одной отличительной чертой: он способен протекать только по замкнутому контуру. Если же эту цепь разорвать, то его действие сразу прекращается. Это свойство нашло воплощение в работе максимальных токовых защит, основанных на использовании предохранителей и автоматических выключателей.

Они подбираются таким образом, чтобы могли длительное время выдерживать номинальное значение протекающего через них тока. Этим обеспечивается надёжность электроснабжения потребителей. В то же время предохранители и автоматические выключатели обладают защитными функциями: во время возникновения аварийных режимов в контролируемой схеме они разрывают проходящий через них опасный ток.

При этом в комплексе учитываются два фактора:

1. величина протекающего тока нагрузки;

2. продолжительность его воздействия.

Содержание статьи

• Основные параметры защитной характеристики предохранителя

• Как создается защитная характеристика предохранителя

• Назначение защитной характеристики предохранителя

• Как работает время-токовая характеристика у автоматического выключателя

• Влияние конструкции защит автомата на форму его характеристики срабатывания

• Основные параметры графика время-токовой характеристики

• Практическое применение параметров ВТХ

• Типы время-токовых характеристик автоматических выключателей

Плавкая вставка предохранителя перегорает от теплового воздействия, созданного проходящим по ней током.

Плавкие предохранители представляют собой однополюсные аппараты, предназначенные для автоматического однократного отключения электрической цепи при коротких замыканиях или перегрузке. Автоматическое отключение осуществляется путем расплавления металлической вставки предохранителя током защищаемой цепи и гашения возникающей при этом электрической дуги.

Автоматический выключатель тоже учитывает температурный перегрев схемы и размыкает свои силовые контакты за счет работы теплового расцепителя. В то же время в его составе имеется еще одно устройство — электромагнитный расцепитель, который реагирует на превышение электромагнитной энергии, возникающей даже в импульсном режиме.

Автоматический выключатель − это контактный коммутационный аппарат способный включать, проводить и отключать токи при нормальном состоянии электрической цепи, а также включать, проводить в течение определенного устанавливаемого времени и отключать токи в определенном аномальном состоянии цепи электрического тока (при коротких замыканиях или перегрузке).

В современном мире автоматические выключатели используются повсеместно в жилых домах и на производстве как основная защита оборудования от перегрузки и токов коротко замыкания. Подробнее про устройство, принцип действия и особенности эксплуатации автоматических выключателей и предохранителей рассказано здесь:

Предохранитель или автоматический выключатель — что лучше?

Предохранители автоматические резьбовые типа ПАР

Выбор автоматических выключателей по основным параметрам

О работе всех этих устройств судят по определенным техническим характеристикам, которые принято называть время-токовыми (защитными) потому, что они точно определяют время срабатывания защит, учитывая его зависимость от кратности превышения тока аварийного режима относительно номинального состояния.

Время-токовые характеристики (ВТХ) выражают графиками в декартовых координатах. По оси ординат располагают время, отсчитываемое в секундах, а абсцисс — отношение протекающего тока аварийного режима I к номинальной величине Iн коммутационного аппарата.

Для чего создается защитная характеристика у плавкой вставки

В целях правильной работы предохранителя внутри электрической схемы необходимо учитывать его:

• технические возможности;

• условия проверок;

• назначение.

Основные параметры защитной характеристики предохранителя

График срабатывания предохранителей при различных токах выражается кривой линией, разделяющей рабочее пространство координат на две части:

1. рабочую область, в которой плавкая вставка остается целой и надежно обеспечивает протекание тока по защищаемой схеме;

2. зону протекания токов предельного отключения, в которой происходит разрыв электрической цепи.

Первая часть на графике показана светло-зелёным цветом, а вторая выделена бежевым.

Защитная характеристика у плавкой вставки лежит на границе этих двух зон. В пространстве рабочих токов предохранитель остается целым, а при увеличении их значений выше критического состояния перегорает.

Зона токов предельного отключения опасна для оборудования и должна быть отключена максимально быстро.

Защитная характеристика плавкой вставки выражает продолжительность отрезка времени от начала создания аварийного режима до момента его отключения, представленную в зависимости к превышения величины опасного тока над номинальным значением предохранителя.

Плавкая вставка характеризуется тремя видами токов:

1. номинальным, который она способна выдерживать практически неограниченное время;

2. минимальным испытательным, под действием которого может проработать более одного часа;

3. максимальным испытательным, которое вызывает ее перегорание менее чем за один час.

Плавкая вставка предохранителя защищает подключенную к ней схему от двух видов аварийных режимов:

1. перегрузов повышенными нагрузками, которые отключаются с задержкой;

2. коротких замыканий — КЗ, требующих максимально быстрой ликвидации.

Все эти режимы и виды токов учитываются при выборе предохранителя и плавкой вставки. Для этого разработаны математические соотношения, преобразованные графиками и таблицами в удобной форме.

Как создается защитная характеристика предохранителя

Плавкая вставка способна работать защитой только один раз. После этого она сгорает. Поэтому ее характеристику можно создать только косвенным путем.

Для этого на заводе выбирают случайным образом определённое количество образцов из каждой партии готовой продукции. Их используют для проведения дальнейших электрических испытаний под действием различных токов. По их результатам составляют таблицы и графики, которые позволяют судить о качестве выпущенной серии предохранителей.

Назначение защитной характеристики предохранителя

Плавкая вставка оценивается электрическими параметрами для решения чисто практической задачи: обеспечения правильного ее выбора по рабочим и защитным свойствам.

Для этого учитывают:

• величину рабочего напряжения схемы, в которой должен работать предохранитель;

• предельный отключаемый ток у плавкой вставки, способный ее разорвать (отключить);

• значение номинального тока предохранителя с учетом коэффициентов его нагрузки и отстройки от перегрузок.

Без использования защитной характеристики плавкой вставки правильно выбрать предохранитель для его надежной работы в электрической схеме невозможно.

Как работает время-токовая характеристика у автоматического выключателя

На выбор время-токовой характеристики оказывают влияние:

• конструктивные особенности встроенных защит;

• конфигурация выбранного графика.

Влияние конструкции защит автомата на форму его характеристики срабатывания

Обеспечением защитных свойств в автоматическом выключателе занимаются два встроенных устройства, работающие по принципам реле прямого действия. Они расцепляют силовые контакты автомата при превышении номинальных значений по критериям ограничения:

1. тепловой нагрузки;

2. электромагнитного воздействия.

Биметаллическая пластина теплового расцепителя воспринимает нагрев проводов обмотки. При его превышении она изгибается, выводя из удержания узел сцепления.

Под действием усилия натяжения пружины поворачивается освобожденное от удержания подвижное коромысло, а его силовые контакты разрывают цепь питания.

Подробнее смотрите здесь — Как устроен и работает тепловой расцепитель автоматического выключателя

У электромагнитного расцепителя отключение силовых контактов происходит за счет выбивания удерживающего рычага пружины ударом толкателя, которое происходит под воздействием тока аварийного режима.

В отличие от предохранителя с перегораемой плавкой вставкой оба этих устройства созданы для многоразового использования. Они позволяют оперативно восстанавливать отключения схемы после предотвращения ненормальных ситуаций.

Работа теплового расцепителя и электромагнитной отсечки входит в алгоритм отключения автоматического выключателя и комплексно учитывается при его срабатывании во время-токовой характеристике.

Смотрите также: Как убедиться при покупке автомата в магазине, что он исправен

Поскольку температура окружающей среды и биметаллической пластины влияют на скорость работы защит, то все измерения принято проводить при +30 градусах Цельсия.

График время-токовой характеристики для автоматического выключателя представляет собой сложную линию, выделенную буквами АВС. Верхний участок АВ соответствует работе теплового расцепителя, а его нижняя часть ВС — электромагнитной отсечке.

Основные параметры графика время-токовой характеристики

Учет влияния температуры

В отличие от защитной характеристики плавкой вставки предохранителя у автоматического выключателя график ВТХ представлен двумя линиями:

1. верхней, учитывающей срабатывание защит непосредственно из холодного состояния +30 ^О С;

2. нижней, созданной после повторного включения, когда конструкция автомата не успела остыть.

Зона между этими двумя крайними графиками выделена цветом. При работе автоматического выключателя следует учитывать, что он может находиться где-то внутри показанной зоны. В этом случае время отключения аварийных токов несколько сокращается в прогретом состоянии и увеличивается в холодном. За счет этого создается разброс параметров срабатывания.

Температура конструктивных элементов может оказывать значительное влияние на время срабатывания автомата. Особенно актуальным это становится при проведении электрических проверок, требующих нескольких измерений. Для их повторов необходимо обеспечивать время на остывание защит до +30 градусов.

Деление ВТХ на зоны

Автоматические выключатели строго разделяют по зонам время-

токовой характеристики для выделения эксплуатационных областей: внутри первой должно обеспечиваться надежное протекание рабочих токов, а во второй — происходить отключения аварийных режимов.

Линия токов условного нерасцепления

С целью обозначения первой области на оси абсцисс графика выбрано значение 1,13 I/I ном. Его называют точкой условного нерасцепления. Ниже этих токов отключение автоматического выключателя не должно происходить.

При ее достижении автоматические выключатели с номинальным значением токов до 63 ампер должны отключаться через 1 час, а с большими номиналами — через два.

Местоположение точки условного расцепления в обязательном порядке указывается на графике ВТХ.

Линия токов условного расцепления

Точка на оси абсцисс с величиной 1,45 I/I ном — это второе граничное значение зоны токов условного расцепления и нерасцепления силовых контактов.

Точка 1,45 I/I ном характеризует токи условного расцепления, она тоже обозначается на всех графиках ВТХ. При достижении подключенной к автомату нагрузки такой величины он должен отключиться за время:

• меньшее, чем 1 час, если его номинал до 63 ампер;

• не дольше двух часов, когда номинальный ток превышает эту величину в 63 ампера.

Вышеприведённый график показывает, что у выбранного автоматического выключателя время отключения аварийного режима из холодного состояния составляет 1 час, а при его нагреве может уменьшиться вплоть до 40 секунд.

Автоматические выключатели с комбинированным расцепителем имеют относительно простую конструкцию и невысокую стоимость. Однако имеются и недостатки – зависимость от температуры окружающей среды, высокое потребление электрической энергии, отсутствие регулировки времени и тока срабатывания защит, а также недостаточно точное и надежное срабатывание.

Практическое применение параметров ВТХ

Анализ использования время-токовой характеристики автоматических выключателей по токам условного расцепления силовых контактов позволяет учитывать длительность протекания перегрузок в подключенной электрической схеме. Это важно делать потому, что они могут повредить оборудование.

Например, при выборе автомата с номиналом на 16 ампер и нахождении его в холодном состоянии ток условного расцепления в 1,45∙16=23,2 ампера будет действовать на подключенную электропроводку в течение одного часа. Этого времени вполне достаточно для того, чтобы перегреть изоляцию медных проводов сечением 1,5 мм кв и вывести ее из строя, создать условия для возникновения пожара. А случаи защиты таких жил, да и алюминиевых на 2,5 мм кв, подобными автоматами еще часто встречаются на практике.

Чтобы исключить подобные ситуации рекомендуется внимательно анализировать время-токовую характеристику автоматических выключателей применительно к подключенной к ним нагрузке. Для облегчения их выбора создана таблица соответствия номинальных токов и площадей поперечного сечения медных жил кабелей и проводов.

Производители автоматических выключателей всю свою продукцию проверяют на соответствие с принятыми стандартами. Основные требования к автоматам изложены в ГОСТ Р 50345—2010. Однако на некоторых участках время-токовые характеристики у каждого завода могут незначительно отличаться. Эту особенность необходимо учитывать при выборе определенной модели и ее проверках.

Типы время-токовых характеристик автоматических выключателей

Защиты автоматов могут создаваться с различным назначением для условий эксплуатации. По этим показателям графики их ВТХ обладают разными границами срабатывания по времени. Это позволяет их отстраивать по селективности, избегать ложных отключений оборудования.

Автоматические выключатели выпускаются для бытового или промышленного использования.

Бытовые автоматы классифицируют тремя группами В, С и D:

1. класс В предназначен для защиты протяженных линий и систем освещения. Кратность токов для его срабатывания лежит в пределах 3÷5 Iном;

2. класс С защищает розеточные группы или оборудование, создающее умеренные пусковые токи. Кратность токов 5÷10 Iном;

3. класс D применяют для защиты потребителей, обладающих повышенными пусковыми токами, например, трансформаторов или станков с мощными асинхронными электродвигателями. Кратность токов 10÷20 Iном.

Автоматические выключатели типа В являются более чувствительными. Ими принято защищать оконечные потребители внутри квартир и домов. А в качестве вводного автомата лучше устанавливать те, которые относятся к типу С.

Качество состояния электропроводки и величина сопротивления петли фаза-ноль может влиять на выбор автоматического выключателя. Старая изоляция с высоким содержанием токов утечек и завышенными показателями петли способны ухудшить условия срабатывании автомата типа С или привезти к его отказу. В таких ситуациях применяют класс В.

Промышленные автоматы классифицируют тремя группами:

1. класс L — более 8 Iном;

2. класс Z — более 4 Iном;

3. класс K — более 12 Iном.

Среди производителей стран Европы встречаются модели автоматов с классом А, который имеет границу кратности токов 2÷3 Iном.

Все эти особенности необходимо учитывать при выборе конструкции автоматического выключателя и его проверках. Автоматы, обозначенные одним и тем же номиналом, в зависимости от типа время-токовой характеристики, обладают разными временами срабатывания.

Еще по этой теме: Основные параметры автоматических выключателей