Ток, проходящий через автоматический выключатель, определяется по известному закону Ома величиной приложенного напряжения, отнесенного к сопротивлению подключенной цепи. Это теоретическое положение электротехники заложено в основу работы любого автомата.

На практике напряжение сети, например, 220 вольт поддерживается автоматическими устройствами энергоснабжающей организации в пределах нормативов, оговоренных государственными стандартами, меняется внутри этого диапазона незначительно. Выход его за пределы ГОСТ считается неисправностью, аварией.

Автоматический выключатель врезается в фазный провод электропитания светильников, розеток и других потребителей. Когда от розетки запитывают вначале электробритву, а затем моющий пылесос, то в обоих случаях через автомат протекает ток по замкнутому контуру между фазой и нулем.

Но, в первом случае он будет сравнительно небольшим, а во втором — значительным: эти приборы отличаются сопротивлением. Они создают разную нагрузку. Ее величину постоянно отслеживают защиты автомата, осуществляя ее отключения при отклонениях от нормы.

Как проходит ток через автоматический выключатель

Конструктивно автомат создан так, что ток воздействует на последовательно расположенные элементы. К ним относятся:

• клеммы подключения проводов с зажимными винтами;

• силовые контакты с подвижной и стационарной частью;

• биметаллическая пластина теплового расцепителя;

• электромагнит отсечки токов коротких замыканий;

• соединительные токопроводы.

Путь тока через автоматический выключатель показан на картинке условными стрелками красного цвета.

Силовые подвижные контакты прижимаются к неподвижным, создавая непрерывную электрическую цепь только после поворота рычага управления вручную оператором. Обязательным условием включения является отсутствие аварийных ситуаций в коммутируемой схеме. Если они появятся, то сразу начинают работать защиты на автоматическое отключение. Другого способа включить автомат не существует.

А вот разорвать эти контакты, обесточив подачу потенциала фазы к потребителям, можно двумя способами:

• вручную, возвратив в исходное положение рычаг управления;

• автоматически от срабатывания защит.

Как создаются и работают конструктивные элементы автоматического выключателя

Силовые контакты

Они, как и вся конструкция автоматического выключателя, рассчитаны на передачу строго ограниченной мощности. Превышать ее нельзя, ибо в противной случае автомат выйдет из строя — сгорит.

Технической характеристикой, ограничивающей максимальную мощность, проходящую через силовые контакты, является показатель, называемый «Предельная отключающая способность». Его обозначают индексом «Icu».

Значение предельной отключающей способности автоматического выключателя задается при его проектировании из стандартного ряда токов, измеряемого обычно в килоамперах. Например, Icu может быть равно 4 или 6 либо даже 100 или более кА.

Эта величина указывается прямо на лицевой стороне корпуса автомата, как и другие характеристики настроек значений токов.

Итак, через силовые контакты показанного на картинке автомата может безопасно проходить электрический ток от нуля до 4000 ампер. Сам АВ его нормально выдержит и отключит при возникновении аварийной ситуации внутри подключенной электропроводки с потребителями.

С этой целью введено разграничение протекающих через силовые контакты токов на:

1. номинальные и рабочие;

2. аварийные, включающие перегрузку и короткие замыкания.

Что такое номинальный ток автоматического выключателя

Любой автомат создается для работы при определенных технических условиях. Он должен надежно обеспечивать прохождение рабочего тока нагрузки, протекающего как по электрической проводке, так и по подключенным потребителям.

При выборе автомата для бытовой сети пользователи часто учитывают токопроводящие свойства проводки или только мощность электрических приборов, совершая ошибку: необходимо комплексно анализировать оба этих вопроса. Ибо, выключатель — это автоматическое устройство, которое уже налажено под срабатывание при достижении определённых значений тока.

Когда эти условия еще не наступили, а рабочий ток через автомат меньше. чем нижняя граница отключения, то силовые контакты надежно замкнуты. Верхний предел этого рабочего диапазона принято называть номинальным током, обозначая In.

Показанная на картинке цифра «16» обозначает, что проходящие через силовые контакты токи включительно до 16 ампер будут надежно передаваться автоматическим выключателем к подключённым потребителям через электрические провода.

Это функция самого автомата. А у владельца электроустановки и обслуживающего электрика задача совсем другая — подобрать правильно автоматический выключатель под нагрузку и проводку в комплексе. Ведь при превышении этих 16 ампер будут происходить отключения от защит, которые настраиваются на срабатывание от различных токов, “привязанных” электрическими алгоритмами к номинальному значению. Подробнее об этом читайте здесь — Выбор автоматических выключателей для квартиры, дома, гаража

Как работают защиты

Все токи, большие чем номинальное значение, приводят к срабатыванию защит. Их называют токами срабатывания, обозначают Iср.

Для автоматического отключения внутри корпуса автомата смонтировано два вида устройств, работающих по разным принципам отключения:

1. нагрева и изгиба биметалла с выводом механической защелки из зацепления;

2. выбиванием защелки механическим ударом сердечником электромагнита.

Тепловой расцепитель

Он работает за счет изгиба биметаллической составной пластины при нагреве от проходящего через нее тока, а охлаждается за счет отвода тепла в окружающую среду.

К этому расцепителю прикладывается тепловая энергия, создаваемая электрическим током по проходящему биметаллу. Ее величина, как нам известно из закона Джоуля-Ленца, зависит от:

1. электрического сопротивления цепи;

2. силы протекающего тока;

3. и времени его воздействия.

Из этих трех параметров электрическое сопротивление в установившемся процессе практически не меняется. Его учитывают только при теоретических расчетах. При коммутациях нагрузки резко изменяется ток. Поэтому важнее два других параметра:

1. величина электрического тока;

2. время его протекания.

Их учитывают специальными характеристиками , которые называют по этим составляющим — времятоковыми.

По силе протекающего тока через автомат и времени его действия определяют не только зону работы теплового расцепителя, но и электромагнитной отсечки.

За основу расчетов принимают величину номинального тока, выбранного для конструкции выключателя. Срабатывание защит привязывают к его кратности — отношению проходящего действующего тока к номинальному.

Поскольку токовые защиты автоматического выключателя работают на превышение номинального тока, то всегда кратность токов I/In>1.

Электромагнитная отсечка

Работа защиты основана на постоянном учете токов, проходящих по виткам обмоток электромагнита. При величине нагрузок, не превышающих расчетное номинальное значение, токи, протекающие в каждом витке, создают суммарное магнитное поле, не способное преодолеть силу удержания механического штока внутри корпуса соленоида.

Головка подвижного толкателя втянута внутрь, а подвижный силовой контакт автоматического выключателя надежно прижат к стационарной части.

Когда сила проходящего тока превысит номинальный ток уставки, то суммарное магнитное поле, образованное внутри катушки, резко преодолеет силу удержания штока. Он выстреливает и резким ударом бьет по защелке, выдергивает ее из зацепления.

В результате нанесенного удара подвижный силовой контакт автоматического выключателя резко отбрасывается механической энергией от стационарного — электрическая цепь разрывается, а питающее напряжение снимается с подключенной схемы.

Как настраиваются защиты автоматического выключателя

Чтобы автомат четко выдерживал номинальный ток, не создавая ложных срабатываний, его защиты отстраивают на расчетные величины.

Тепловой расцепитель

При выборе нормативной уставки тока учитывают характер подключенной нагрузки и рассчитывают по формуле Iуст=kр∙kн∙In, где kр=1,1, а kн учитывает условия эксплуатации. Его устанавливают в пределах:

• 1,1÷1,3 для цепей с кратковременными перегрузками от запуска электродвигателей или подобных устройств;

• 1,1 — у резистивных схем без перегрузки или для работы схем постоянного тока.

В качестве примера рассмотрим защитную характеристику теплового расцепителя старого автоматического выключателя А3120.

На участке тока от 1,3 до 10 крат In характеристика представлена кривой «а», срабатывание производится с выдержкой времени, создающей резерв работы подключенных электроприборов. С увеличением нагрузки время их отключения сокращается от нескольких минут до одной секунды.

При десятикратный нагрузке тепловой расцепитель А3120 выводит из работы силовые контакты со временем порядка 0,01 секунды с небольшим разбросом параметров, показанным на графике зоной светло-красного цвета. Бо́льшие десяти крат возрастания рабочих токов не могут ускорить срабатывание защиты из-за механических свойств конструкции выключателя.

Электромагнитная отсечка

Параметры времятоковой характеристики для электромагнитного органа отсечки тоже настраиваются по номинальному току. У бытовых автоматов ток мгновенного расцепления разделяют на три класса:

1. В, лежащий в пределах 3÷5 In;

2. С — 5÷10 In;

3. D — 10÷20 In.

Для производственных технических устройств создаются автоматические выключатели с классами:

• А, срабатывающими при меньших токах, чем 3In;

• E и F — при больших кратностях, чем 20In в различных пределах.

Описанный класс работы отечественных автоматов узаконен требованиями ГОСТа Р 50345—2010. У иностранных производителей тоже применяется подобное деление мгновенных отсечек, но, стандарты токов и времена отключения могут отличаться, оговариваться нормативами своих стран или МЭК 60947—2.

Учет класса токоограничения

Скорость работы мгновенных токовых защит автоматического выключателя привязывают к частоте синусоидальной гармоники промышленной сети и обозначают одной из цифр: 1, 2 или 3. Эта цифра показывает часть полуволны стандартной гармоники, во время которой должно произойти отключение.

Автомат с токоограничением 3 самый быстрый — он отработает за 1/3 полупериода. Характеристика 2 свидетельствует о его половине, а 1 — полной длине полуволны.

Условия ограничения токов, проходящих через автоматический выключатель

Важным моментом при эксплуатации защит автоматов, работающих по токам нагрузок, является учет подключенной к ним схемы, обладающей уже каким-то определённым сопротивлением. Его величина будет ограничивать работу отсечки в аварийном режиме, а в какой-то момент не позволит своевременно снять напряжение питания с повреждаемого оборудования.

Примером такого участка является активное сопротивление обмотки источника питающего трансформатора со всеми подключенными жилами кабелей и проводами электрической сети, собранными на клеммниках и зажимах распределительных коробок и щитков вплоть до контактов квартирной розетки. Ее специалисты называют петлей фаза-ноль .

Для учета его величины при правильной настройке и работе автоматического выключателя используют специальные приборы — измерители сопротивления этой петли.

Их замер позволяет учесть поправку, вносимую дополнительным сопротивлением проводов, а значит — точно учитывать токи, проходящие в аварийном режиме через силовые контакты и защиты автоматического выключателя.

Как автоматический выключатель проверяется на проходящие через него токи

После изготовления на производстве до момента установки в электрическую схему продукция любого производителя может транспортироваться на большие расстояния или длительно храниться на складах. За это время возможно снижение ее качества, связанное с нарушением технических характеристик.

Поэтому автоматические выключатели при монтаже в схему до ввода ее в работу должны подвергаться проверке на исправность, которую принято называть прогрузкой.

Для этого в электролаборатории собирается специальная схема прогрузки автомата или используется одна из многочисленных конструкций стационарных или переносных стендов.

Автоматический выключатель проверяется по номинальному току, указанному на корпусе. Он должен длительно выдерживать его величину.

Затем автомат подвергают перегрузкам и токам коротких замыканий, которые он должен выдерживать при эксплуатации. При этом четко замеряются и фиксируются:

1. токи срабатывания защит теплового расцепителя и токовой отсечки;

2. времена отключения автомата от момента имитации аварийной ситуации.

Некоторые конструкции автоматов позволяют регулировать выходные параметры при прогрузке. Например, отдельные виды тепловых расцепителей имеют винтовое крепление, позволяющее корректировать уставку срабатывания биметаллической пластины в определенных пределах.

Все замеренные характеристики фиксируются с высокой точностью измерительными приборами и заносятся в протокол проверки, сравниваются с требованиями ГОСТ. После их анализа выдается свидетельство с заключением о пригодности.

Прогрузка автомата под нагрузкой позволяет выявить брак, предотвращает случаи возможных пожаров и электрических травм.

Таким образом, токи, проходящие через автоматические выключатели, учитываются при проектировании, производстве, испытаниях и эксплуатации. Для этого введены термины, учитываемые требованиями ГОСТ:

• номинальный ток;

• перегрузка;

• ток короткого замыкания;

• ток срабатывания защиты;

• время отключения неисправности.