Наверняка многие из нас задумывались, почему автоматические выключатели так оперативно вытеснили из электросхем устаревшие плавкие предохранители? Активность их внедрения обоснована рядом весьма убедительных аргументов, среди которых возможность купить этот вид защиты, идеально соответствующий время-токовым данным конкретных видов электрооборудования.
Сомневаетесь, какой именно автомат вам нужен и не знаете, как правильно его выбрать? Мы поможем найти верное решение — в статье рассмотрена классификация этих устройств. А также важные характеристики, на которые следует обратить пристальное внимание при выборе автоматического выключателя.
Чтобы вам было проще разобраться с автоматами, материал статьи дополнен наглядными фото и полезными видеорекомендациями от специалистов.
Характеристики расцепителей защитных автоматов
Для тех, кто предпочитает всё проверять по первоисточникам, по тексту и в конце статьи привожу ГОСТы, в которых даны четкие официальные определения.
Итак, внутри автомата есть два устройства расцепления (выключения), каждый из которых срабатывает независимо, в своем диапазоне токов. Работа обоих этих расцепителей приводит к тому, что они так или иначе отключают автомат, когда через него протекает сверхток (больше номинального).
Первый – тепловой расцепитель, который работает на принципе нагрева и изгиба биметаллической пластинки, по которой протекает рабочий ток автомата. Для примера, на таком же принципе работает регулятор температуры в утюге и электронагревателе. Пластинка калибрована и настроена таким образом, что при определенном токе она нагревается до определенной температуры, что приводит к её критическому изгибу и, как следствие, выключению автомата. Тепловой расцепитель обладает некоторой инерционностью, что благотворно сказывается на его работе в реальных условиях. Если можно так выразиться, он “ожидает”, прежде чем сработать.
Второй расцепитель – электромагнитный. Скорость его работы гораздо выше по сравнению с тепловым расцепителем. Из названия понятен принцип работы – имеется электромагнит, который срабатывает и выключает нагрузку при коротком замыкании. Ток “расцепления” электромагнитного расцепителя в несколько раз (в разных случаях от 3 до 20) выше тока теплового расцепителя.
Можно ещё выделить независимый расцепитель, который замыкает или размыкает контакты автоматического выключателя при ручном воздействии. Название немного неверное, поскольку он управляется рукой человека, либо тепловым, либо электромагнитным расцепителм, либо внешним расцепителем.
Рассмотрим подробно характеристики расцепителей с примерами и ссылками на ГОСТ.
Все характеристики определяются при контрольной температуре +30 °С.
Время-токовая характеристика (ВТХ)
Это – основная характеристика, которой описывается работа автоматического выключателя. У неё встречаются и другие названия –
- характеристика срабатывания,
- характеристика расцепителя,
- токовая характеристика,
- отключающая характеристика,
- защитная характеристика,
- кривая тока,
- кривая отключения,
- характеристика отключения…
Официальное название из ГОСТ Р 50345-2010 (п. 4.5, п.5.3.5) – тип тока (диапазон токов) мгновенного расцепления. Этот ГОСТ с 1 марта 2022 г не действует. Читайте до конца.
Смысл один – это график, на котором показана зависимость времени отключения автомата от величины проходящего через него тока:
Время-токовая характеристика, она же – кривая отключения автомата, защитная характеристика
На графике обозначены три области – B, C, D. Согласно ГОСТ Р 50345-2010 (п. 5.3.5), каждая из них определяет свой порог срабатывания электромагнитного расцепителя:
- B – от 3 до 5 In,
- C – от 5 до 10 In,
- D – от 10 до 20 In,
где In – номинальный ток теплового расцепителя. То есть, ток срабатывания электромагнитного расцепителя нормируется через ток теплового.
Этот ток, обозначаемый буквой, называется током мгновенного расцепления:
ГОСТ Р 50345-2010, п. 3.5.17 ток мгновенного расцепления
(instantaneous tripping current): Минимальное значение тока, вызывающее автоматическое срабатывание выключателя без преднамеренной выдержки времени. Сколько же длится это мгновение?
Автоматы TEXENERGO – с разными защитными характеристиками и номинальными токами: B6, B16, C40, C32
Время срабатывания tср электромагнитного расцепителя типа В определяется так (ГОСТ Р 50345-2010, п. 9.10.2):
- tср > 0,1 с для тока 3 In,
- tср < 0,1 с для тока 5 In и более
Значит ли это, что при токе 3In он может и не сработать за время ≤ 0,1 с? Да. В ГОСТе так и написано “без расцепления”. Но за время больше 0,1 с АВ должен сработать посредством электромагнитного или теплового расцепителя. Правда, не указано, за какое время – 0,2 или 2 с?
В диапазоне 3…5 АВ сработает с некоторой вероятностью, а при 5In и больше – сработает 100%. Это зависит от конкретного экземпляра. И если уж сработает, то за время менее 0,1 с. Реальные значения лежат в пределах 0,01 – 0,003 с, зависит от тока и везения – на какую часть синусоиды приходится момент КЗ.
Для характеристик типа С, D время срабатывания tср определяется аналогично, в своих пределах.
Почему на графике ВТХ указаны не линии, а области? Дело в том, что кроме естественного разброса параметров устройств, ток расцепления зависит от температурного состояния автомата. Нижняя часть графика относится к случаю, когда автомат долго был в работе (горячее состояние), верхняя – автомат в холодном (неразогретом) состоянии.
В другой статье пишу про то, чем автоматический выключатель отличается от предохранителя.
Я считаю, что гораздо удобнее пользоваться не графиками с относительными величинами, а таблицами, в которых указаны характерные рабочие точки для автомата определенного номинала. Читайте статью, в которой я привёл таблицы с рабочими значениями АВ разных номиналов.
Когда сработает тепловая, а когда – электромагнитная защита?
Чтобы было понятно, для примера возьмем автомат В10 – защитная характеристика В, номинальный ток 10 А – и проанализируем график токовый характеристики по основным диапазонам тока:
- 0…11,3 А – автомат выключаться не должен, это диапазон токов для его нормальной работы,
- 11,3…14,5 А – есть вероятность, что автомат через некоторое время сработает в результате действия теплового расцепителя (подробнее – ниже),
- 14,5…30 А – время выключения по тепловой защите составит от 1 часа (для тока 14,5 А) до 4 с (для 30 А),
- 30…50 А (3…5 In) – интересный участок, тут может сработать и тепловой расцепитель (за время от 4 до 1 с), и электромагнитный.
- если сверхток более 50 А (>5 In), работает только электромагнитная защита, поскольку тепловая тут слишком инерционная.
Что изменится, если для примера взять автомат С10? Изменится лишь участок, на котором работают оба расцепителя, он сдвинется к значениям 50… 100 А. Для автомата D10 этот диапазон будет 100…200 А.
Почему такой большой разброс? Он происходит от разброса рабочих характеристик реальных автоматов. То есть, для В10 при токе 30 А электромагнитная защита МОЖЕТ сработать, а при токе 50 А ДОЛЖНА сработать.
Зачем нужны разные защитные характеристики автоматов? Отличия – лишь в порогах отключения электромагнитного расцепителя. Превышение тока в несколько раз может произойти при пуске различных инерционных устройств. Такой ток называют пусковым, и он появляется в быту в результате включения электродвигателей.
Для большинства бытовых устройств мощность встроенных двигателей – не более 2,2 кВт, это номинальный ток 10 А. Пусковой ток при этом – до 50 А для особо тяжелых условий пуска, и длится он менее секунды. Для автомата С16 выключение по пусковому току может произойти только, если ток будет превышать 80 А.
Ток, при котором срабатывает электромагнитный расцепитель, на практике может получиться и в результате короткого замыкания. Но ток короткого замыкания не бесконечен – он определяется сопротивлением цепи от подстанции до места замыкания. Если сопротивление проводов и переходное сопротивление контактов велико (а в частном секторе это – сплошь и рядом!), ток при КЗ где-нибудь в переноске может быть всего лишь 100 А. Если наименьший автомат защиты установлен на 25 А с типом защитной характеристики С, электромагнитная защита сработает (как повезёт!) при токе от 125 до 250 А. То есть, не сработает вообще! Выручит тепловой расцепитель, но время его реакции может быть от 2 до 10 с. А за это время от искр и пламени из злополучной переноски может загореться что угодно.
Может быть ещё хуже: ток мгновенного расцепления конкретного экземпляра автомата С25 может быть равен 250А. А ток КЗ может быть 249А! Тепловой расцепитель сработает примерно за секунду, а за это время могут произойти катастрофические события.
Именно поэтому в частном секторе, где до подстанции – несколько километров старого алюминия, да и в квартирах я очень рекомендую ставить автоматы с характеристикой В (статья про выбор АВ в домашний щиток). А вот более обширная статья на эту тему на блоге.
Защитная характеристика С вполне допустима и используется пока повсеместно.
Характеристика D в быту не применяется и даже вредна – там нет и не может быть больших пусковых токов, превышающих номинальный в 10…20 раз. А учитывая, что в частном доме часто очень низкий ток КЗ, электромагнитный расцепитель “D” становится бесполезным и опасным – мы лишаемся защиты от КЗ.
Рассмотрим подробно несколько терминов и точек на характеристике.
Номинальный ток теплового расцепителя In
Это максимальный ток, который автомат может гарантированно проводить неограниченное время без негативных последствий и срабатывания расцепителей. Номинальный ток указан числом на передней части автомата, перед числом указан тип защитной характеристики.
Номинальный ток In – основной параметр автоматического выключателя.
Пример на фотографиях выше – В6. Ещё пример, автоматы с номинальным током 40 и 32 А и защитной характеристикой С:
Защитные автоматы TEXENERGO BA47-29 С40, С32
Неотключающий ток теплового расцепителя 1,13 In
Это ток, действие которого не приводит к выключению автомата. Его называют также током условного нерасцепления. В ГОСТ Р 50345-2010 (п.8.6 и п.9.10) говорится, что автомат не должен выключаться в течение часа при токе 1,13 In. Поэтому на характеристике и указано значение 1,13.
Отключающий ток теплового расцепителя 1,45 In
Этот параметр также называют током условного расцепления. Он равен 1,45 In. Иными словами, при сверхтоке, превышающем номинал в 1,45 раза, автомат должен гарантированно сработать по тепловой защите в течение часа работы.
Для испытания автомата на соответствие этого параметра сначала пропускают через него в течение часа ток 1,13 In, а затем сразу, не отключая повышают ток в течение 5 с до 1,45 In.
Проверочный ток теплового расцепителя 2,55 In
Эта точка на графике не отмечена, но в ГОСТе (Р 50345-2010, п.9.10.1.2) приведена. Данный ток используют для проверки работы теплового расцепителя защитного автомата. Для этого подают ток 2,55 In на все полюсы автомата в холодном состоянии. Время размыкания должно быть в пределах от 1 до 60 с для автоматов с In ≤ 32 А, и от 1 до 120 с для In > 32 А.
Выводы по графику ВТХ
Читая эти правила и смотря на график ВТХ, можно сделать два вывода.
- Правила позволяют больший разброс времени выключения, чем это указано на графике.
- Точка 2,55 In выбрана не случайно – при этом токе во всех типах автоматов в выключении участвует только тепловой расцепитель.
Коррекция номинального тока от температуры
Есть два фактора температурной коррекции – количество рядом стоящих автоматических выключателей и температура окружающей среды.
Как я говорил выше, все характеристики теплового расцепителя определяются при температуре окружающей среды 30 °С. Однако, автомат при работе греется, это нормально. Когда в щитке стоят несколько автоматов (а так всегда и бывает), они взаимно нагревают друг друга, и тепловой расцепитель будет срабатывать раньше, чем положено по номиналу.
Информацию по нагреву автоматов я вынес в отдельную статью – что будет, если нагреть автоматический выключатель. Изменение характеристик автомата от температуры.
Классификация по конструкции
Существует три вида автоматов защиты сети:
- Модульный прибор. Актуален для бытовых сетей с протекающими токами небольшой величины. Чаще имеет один или два полюса.
- Литой. Используются для работы в промышленных сетях. Название получили благодаря литому корпусу.
- Воздушный электрический. Применяется для сетей, поддерживающих высокомощные установки. Обычно имеет три или четыре полюса.
Номинальная наибольшая отключающая способность, Icn
На графике кривой отключения (ВТХ), приведенном выше, показаны сверхтоки только до 100 I/In. Однако, диапазон токов обычно простирается дальше, в область килоампер, вплоть до тока короткого замыкания в данной точке цепи . Само собой, при таких токах задача у автомата – не только отключить замкнувшую нагрузку, но и сохранить свою работоспособность.
Отключающая способность автомата должна быть гораздо больше, чем ожидаемый ток короткого замыкания в данной цепи.
Ведь при выключении (размыкании) контактов возникает электрическая дуга (фактически – пламя), которая может привести к пожару, взрыву, обгоранию поверхности контактов. И даже – сплавливанию и свариванию контактов! Чтобы уменьшить вероятность возникновения таких последствий, дугу гасят дугогасительными камерами специальной конструкции, а контакты делают из стойких сплавов.
Номинальная наибольшая отключающая способность 6000 А = 6 кА
Согласно ГОСТ Р50345-2010 (п. 6f), параметр Icn обозначается в рамке, и в данном случае равен 6000 А. У некоторых дешевых брендов Iсn = 4500 А, у более дорогих автоматов такого размера – 10 кА.
Как я говорил выше, совсем не факт, что такой ток будет течь через автомат в момент КЗ, разве только если автомат расположен рядом с подстанцией. Однако, это параметр говорит о способности стойко реагировать на короткие замыкания, исключая вероятность пожара, при этом ничуть не теряя своих качеств.
Мне попадались автоматы, которые после первого же КЗ вообще не хотели включаться. Впрочем, это простительно – в этом здании была собственная подстанция.
Название параметра происходит от английских слов “Capacity Normal”. Или “Rated Short-Circuit Capacity (Icn)”. Другие встречающиеся названия этого параметра – предельная коммутационная способность, номинальная наибольшая отключающая способность, номинальная отключающая способность, номинальная предельная наибольшая отключающая способность.
Часто путают этот параметр с номинальным условным током короткого замыкания Inc. Не смотря на то, что этот ток имеет те же значения (4500, 6000, 10000), он используется в описании характеристик устройств дифференциальной защиты (УЗО).
Также путают часто параметр Icn с двумя параметрами, которые я приведу ниже. Это происходит по причине того, что для аппаратов с низкой отключающей способностью все эти три параметра имеют одно численное значение.
Типы ВА (полюса и четыре группы)
Классифицировать типы автоматических выключателей можно по нескольким признакам, остановимся на некоторых из них.
Число полюсов: 1p, 2p, 3p и 4p
Данная характеристика показывает, какое количество независимых электрических цепей может коммутировать автомат. По этому параметру ВА делятся на однополюсные (обозначение 1p), двухполюсные (2p), трёхполюсные (3p) и четырёхполюсные (4p).
Каждый из полюсов представляет собой обособленный механический контакт, имеющий два вывода для подключения внешних электрических цепей. Иногда полюса называют главными цепями, т.е. это цепи контактов, предназначенных для коммутации токов защищаемой нагрузки.
Количество полюсов (1п, 2п, 3п, 4п) каждого выключателя можно определить без труда.
Понятие главных полюсов или цепей было введено, т.к. некоторые разновидности автоматов имеют до нескольких вспомогательных контактов. Эти контакты не предназначены для коммутации силовой электрической нагрузки и не оборудованы устройствами дугогашения. Есть еще вспомогательные контакты (называемые также блок-контактами), они работают в цепях сигнализации и блокировки.
Время-токовая характеристика
В зависимости от особенностей электрической цепи, автоматический выключатель должен обладать соответствующими свойствами защит. Значение токов короткого замыкания является характеристикой питающей сети, а не подключаемой нагрузки. Нагрузку одной и той же номинальной мощности и напряжения можно подключить к мощным шинам подстанции, либо к длинной линии электропередачи, на большом удалении от источника питания. СтабЭксперт.ру напоминает, что в первом случае ток короткого замыкания будет иметь максимальное значение, во втором, из-за влияния сопротивления линии электропередачи может быть значительно снижен. Таким образом, при выборе подходящего автоматического выключателя недостаточно учитывать только характеристики нагрузки, нужно иметь расчётные значения токов короткого замыкания в месте предполагаемой установки.
Предельная Icu и рабочая Ics отключающая способность
Значения номинальной наибольшей отключающей способности Icn равны 3000, 4500, 6000 и 10000 А (п.5.3.4), и в то же время равны значениям предельной наибольшей отключающей способности Icu (п.5.2.4).
Тут для меня немного не понятно – если эти параметры равны, зачем существует Icu? Кто знает – поделитесь в комментариях!
Ещё не понятно (возможно, это ошибка при переводе) – почему вместо номинальной наибольшей отключающей способности в указанном ГОСТ пишут “номинальная наибольшая коммутационная способность”. Надеюсь, что это одно и то же.
Ток Icu для автомата – крайний, предельный (Ultimate), но производитель гарантирует, что автомат безопасно отключит аварийную цепь, пусть даже ценой собственной жизни.
Значения номинальной рабочей отключающей способности Ics рассчитываются, исходя из номинальной наибольшей отключающей способности Icn:
Ics = % Icn
Рабочая и номинальная отключающие способности. Соотношения при разных значениях
Слово “рабочая” (Servise) говорит о том, что автомат можно после данного тока КЗ включить (естественно, после устранения причин КЗ), и он продолжит работать с теми же параметрами. Ток Ics автомат может выдержать три раза за весь период эксплуатации (но это не точно), далее он подлежит замене. Подробнее можно почитать в ГОСТе.
Параметры Icu и Ics в бытовом применении не используются, и в первом приближении (Icn ≤ 6 кА) можно сказать, что Icn =Icu = Ics, а для бытовых электрощитков вполне достаточно применения АВ с отключающей способностью 4,5 кА.
Однако, если говорить о вводных автоматах, по ГОСТ 32397-2013 при токах до 63 А номинальная наибольшая отключающая способность должна быть не менее 6 кА, а при токах до 125 А – не менее 10 кА.
В английской терминологии, откуда всё и пошло, это звучит как Rated Ultimate Short-Circuit Breaking Capacity (Icu) и Rated Service Short-Circuit Breaking Capacity (Ics)
Подробнее о силовых автоматах в литом корпусе, для которых эти параметры имеют значение, я пишу в другой статье.
Категории высоких токов:
1) сверх токи короткого замыкания, когда нулевой и фазный проводник напрямую замыкаются между собой, минуя нагрузку.
Современные электромагнитные расцепители без труда и совершенно безошибочно определяют КЗ и отключают нагрузку за доли секунды, не допуская даже малейшего повреждения проводников и аппаратуры.
2) большие токи, вызванные перегрузкой сети (например, включением большого количества бытовых электроприборов, или неисправностью некоторых из них);
Ток перегрузки ненамного отличается от номинального, в течение какого-то времени он может протекать по цепи совершенно без последствий. Поэтому нет необходимости отключать такой ток мгновенно, тем более что он мог и возникнуть очень кратковременно. Ситуация отягощается тем, что каждая сеть имеет свой предельный ток перегрузки. И даже не один.
Класс токоограничения
Этот параметр говорит о быстродействии автомата. Значение параметра приводится в рамке, под значением Icn:
Класс токоограничения автомата говорит о быстродействии электромагнитной защиты
Цифра в рамке говорит о части периода напряжения, за которое электромагнитная защита сработает при КЗ. Если указана цифра “3”, значит, при КЗ автомат успеет отработать за 1/3 периода, или за время около 6 мс.
Впрочем, в наши дни технология продвинулась настолько, что все производители легко выполняют данное условие, и автоматический выключатель любого бренда имеет класс токоограничения 3.
Устройство автоматического выключателя
Автоматический выключатель (на языке электриков «автомат») является основой защиты в силовых электрических цепях низкого (до 1000 Вольт) напряжения. Это комбинированный электроприбор, сочетающий в себе функции выключателя и защитного устройства. Практически вся система распределения и защиты бытовой электропроводки построена на автоматах. Хочу сразу заметить, что основное применение автомата — это защита того участка электропроводки, который находится между выходом из автомата и потребителем. Если далее по линии находится другой автомат, то наш автомат должен защищать участок между этими двумя автоматами. При возникновении перегрузки или короткого замыкания на каком-то участке цепи, должен сработать только один автомат, защищающий конкретно данный участок цепи.
Скачать
Для тех, кто интересуется темой глубже и основательней, выкладываю ГОСТ, в котором подробно расписаны все характеристики и терминология касательно автоматических выключателей.
В данный момент ГОСТ Р 50345-99 (МЭК 60898-95) (Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения) не действует, вместо него введен ГОСТ Р 50345-2010 (МЭК 60898-1:2003) (Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. Часть 1. Автоматические выключатели для переменного тока). Его и выкладываю для скачивания:
• ГОСТ Р 50345-2010 / ГОСТ Р 50345-2010 (МЭК 60898-1:2003) Аппаратура малогабаритная электрическая. Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. Часть 1. Автоматические выключатели для переменного тока. Настоящий стандарт распространяется на воздушные автоматические выключатели (далее — выключатели) для переменного тока для работы при частоте 50 или 60 Гц на номинальное напряжение (между фазами) не более 440 В, номинальный ток не более 125 А и номинальную отключающую способность не более 25000 А., pdf, 1.89 MB, скачан: 1057 раз./
• Харечко В.Н., Харечко Ю.В. Автоматические выключатели модульного исполнения / Харечко В.Н., Харечко Ю.В. Автоматические выключатели модульного исполнения: Справочное пособие. В справочном пособии изложены требования ГОСТ Р 50345-99 (МЭК 60898-95) к автоматическим выключателям бытового назначения, предназначенным для защиты от сверхтока, рассмотрена конструкция автоматических выключателей, даны характеристики и приведена их классификация. Разбираются ошибки, которые частично исправлены в новой версии ГОСТ Р 50345-2010, pdf, 7.17 MB, скачан: 1062 раз./
Обновление по ГОСТ на автоматические выключатели от 1 марта 2021 г.
ГОСТ Р 50345-2010 (МЭК 60898-1:2003) теперь не действует, вместо него – вступил в действие ГОСТ IEC 60898-1-2020 с тем же названием. Кроме того, есть ГОСТ IEC 60898-2-2011, в котором более точно приведены контрольные точки ВТХ в таблице 7 и п.9.
Cтатья про ток КЗ, опубликованная в бумажном журнале “Электротехнический рынок”:
• Ток КЗ: размер имеет значение / Статья про ток КЗ, опубликованная в журнале Элек.ру, pdf, 4.45 MB, скачан: 604 раз./
На сегодня всё, жду вопросов и справедливой критики в комментариях.
А во второй части статьи мы рассмотрим конструкцию защитного автомата снаружи и изнутри, а также проведём его тестирование.
Подключение максимальной токовой защиты
Схемы схемами, но в конце концов нужно брать отвертку и присоединять провода к электрощитку. Начнем с удаления изоляции с конца провода. Удаленная изоляция должна быть достаточной длины. Слишком короткая изоляция — это, во-первых, меньшая контактная поверхность выключателя с кабелем, а во-вторых, риск завинчивания крепления на изоляцию, вместо оголенного провода. Правильная длина кончика: 10-15 мм.
Во-вторых, нужно вставить провод куда следует. Кабель должен находиться между подвижным зажимом и верхней частью отверстия. Проблема при всей своей простоте может быть реальной. Чаще всего смотрят на переключатель спереди, поэтому не могут видеть клеммы-терминалы и нетрудно сделать ошибку.
Клеммы с обеих сторон выключателя функционируют одинаково. Подключение двух проводов к автоматическому выключателю возможно при условии, что оба провода имеют одинаковое поперечное сечение. Попытка подключения проводов с различными поперечными сечениями не рекомендуется.
Более тонкий провод во время работы может выскочить из крепления. На приведенных выше рисунках подключены два провода: коричневый 2,5 мм2 и черный 1,5 мм2.
