Автоматические выключатели

Предназначены для защиты линии от сверхтоков и токов КЗ, как в линии, так и в устройствах.

Состоит из:

• контактная система — совокупность подвижных и неподвижных контактов;
• расцепитель — изготавливают в нескольких типовых исполнениях:
  • тепловой в форме биметаллической пластины (реагирует на токовые перегрузки),
  • электромагнитный (реагирует на токи короткого замыкания),
  • комбинированный (сочетает в себе защиту от КЗ и токовой перегрузки),
  • полупроводниковый (защита от КЗ, токовой перегрузки);
• Дугогасительное устройство. Предназначено для гашения электрической дуги, в аварийных режимах работы без вреда для устройства (образуется при высоких токах расцепления). 
• Механизм управления — предназначен для управления положением контактной системы в ручном или автоматическом режиме.

Типы и характеристики

Характеристики сферы и условия эксплуатации:

• Степень защиты от внешних воздействий. Требованиям IEC 60529 ^[2] . В обозначении таких аппаратов применяют цифровую кодировку, где первая цифра означает уровень защиты от проникновения посторонних предметов, а вторая — от влаги.
• Климатическое исполнение. Определяет диапазон температуры и влажности окружающего воздуха, при которой допускается длительная эксплуатация автоматического выключателя. Может кодироваться в виде цифр 1, 2, 3, 4, 5 или букв У, УХЛ, Т, М, ОМ ^[3] .
• Высота установки. Обычно, не более 1000 метров над уровнем моря.
• Наличие вибрации, резких толчков, тряски. (ГОСТ 17516.1-90 ^[4] ). Автоматические выключатели могут выпускаться для эксплуатации в условиях, соответствующих группам М1, М2, М3, М4, М6, М9, М25, М19.

Технические характеристики

1. Тип напряжения. Различают три типа автоматических выключателей:
   • для сетей переменного напряжения,
   • для сетей постоянного напряжения (схожая конструкция, но разные характеристики),
   • универсальные устройства (могут стабильно работать в электрической цепи любого напряжения).
2. Количество полюсов. Обычно это: однополюсные, двухполюсные, трехполюсные и четырехполюсные.
3. Предельный ток короткого замыкания. ГОСТ Р 50030.2-2010 ^[5]  — предельный допустимый ток КЗ, без ущерба для устройства, при номинальной величине напряжения.
   Типовые значения: 4,5 кА; 6,0 кА; 10 кА; 20 кА; 35 кА; 50 кА.
   Выпускают в двух модификациях: силовые и модульные устройства. Модульные (18мм шириной) обычно до 10 кА.
4. Номинальный ток (I_n) — рабочий ток, который коммутационный аппарат способен пропускать длительное время без перегрева токоведущих частей, при температуре +30°С. ГОСТ Р 50345-2010 (п. 5.2.2).
   Стандартные номиналы I_n 0,5, 1, 2, 4, 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100 или 125 А. Выключатели в корпусном исполнении выпускают в основном с номинальным рабочим током величиной до 1600 А включительно.
5. Времятоковая характеристика. ГОСТ Р 50345-2010 (п. 5.3.5). В модульных устройствах кратность токов, мгновенного, электромагнитного расцепителя обозначается латинскими буквами:
   • основной типов
     • В (от 3 I_n до 5 I_n). Применяются для защиты распределительных и групповых цепей с большими длинами кабелей и малыми токами короткого замыкания преимущественно с активной нагрузкой, например, электрические печи, электрические нагреватели, цепи освещения.
     • С (от 5 I_n до 10 I_n ). Применяются в основном для защиты трансформаторов и двигателей с малыми пусковыми токами. Также их можно использовать для питания цепей освещения.
     • D (от 10 I_n до 20 I_n ). Применяются в основном для защиты электрических двигателей с частыми запусками или значительными пусковыми токами (тяжелый пуск).
   • и не стандартные характеристики типа А, К и Z
6. Селективность

Токи короткого замыкания

Современные приборы вычисляют полное сопротивление петли «фаза – ноль», а затем автоматически пересчитывают полученное значение в ток КЗ. Делается это методом падения напряжения, подключая к точке измерения нагрузку (резистор) известного сопротивления. Номинал резистора обычно равен 10 Ом, время измерения – 30 мс (полтора периода напряжения). Такое измерение не перегружает сеть, и в то же время обеспечивает максимальную точность, не вызывая срабатывания автоматических выключателей – тепловой расцепитель за такое время не успеет сработать, а электромагнитному не хватит величины испытательного тока.

Ток КЗ измеряется во всех вариантах, где он может возникнуть: «фаза – нейтраль», «фаза – защитное заземление», «фаза – фаза». Важно пересчитать ток КЗ под напряжение сети. Так-же имеется апериодическая составляющая тока КЗ, которая сильно зависит от реактивных свойств линии электропередачи, в виду сложности ее расчета — не рассматривается и не измеряется ниже изложенными методами.

Измерение токов КЗ

• Измерение необходимо проводить в самой дальней точке защищаемой линии.
• В данной методике применяем не учитывается реактивная энергия (cos φ = 1), используя активную нагрузку (чайник, обогреватель и тд).

Iкз = Uб/н / Ri

Где, I_кз — искомый ток короткого замыкания, в амперах;
U_б/н — наибольшее нормальное напряжение в сети без какой-либо нагрузки в проверяемой линии, в вольтах;
R_i — сопротивление цепи «фаза-ноль» в омах (сопротивление обмоток ТП + проводов, соединений и тд)

Расчет петли «фаза-ноль»

1. Через ток нагрузки

Сопротивление R_i теоретически не зависит от приложенного к нему напряжения. Поэтому, измеряем ток нагрузки (I_н) и напряжение на R_i не в момент короткого замыкания, а при подключении нагрузки с ненулевым сопротивлением по закону Ома:

Ri = ΔU / Iнагрузки

где, ΔU — дельта напряжений, измеренных без нагрузки (наибольшее нормальное, в защищаемой линии), минус напряжение с нагрузкой (просаженное, измерять на клеммах нагрузки);

2. Через сопротивление нагрузки

 Составляем уравнение пропорциональности между сопротивлениями R_i и сопротивлением нагрузки в омах (R_н), и напряжениями на них:

Ri = ΔU × Rн / Uн

3. Через номинальную мощность нагрузки

где, Р_ном — номинальная мощность нагрузки (можно узнать на шильде, но лучше замерить);
U_ном — номинальное напряжение нагрузки (можно узнать на шильде, но лучше замерить)

Ri = (Uном × ΔU) / Pном

Все 3 методики получения R_i дадут разные результаты, предположительно из-за погрешностей измерений. Однако приблизительную картину понять можно, взяв наихудшее значение как верное. Наихудшее будет через сопротивление.

Время-токовые характеристики

Определения автоматических выключателей (АВ):

1. I_nt — условный ток нерасцепления (неотключающий ток), испытательный ток, равный 1,13 In. При действии тока 1,13 In в течение условного времени из холодного состояния АВ не обязан отключиться.
   • Не более 1 часа для I_n ≤ 63 А,
   • и не более 2 часов для I_n более 63 А.
     ГОСТ Р 50345-2010 (п. 8.6.1). ГОСТ распространяется на АВ с I_n не более 125 А.
2. I_t — условный ток расцепления, испытательный ток, равный 1,45 I_n. При действии тока 1,45 I_n АВ сразу после испытания током 1,13 In обязан выключиться в течение условного времени:
   • менее 1 часа для I_n ≤ 63 A
   • и менее 2 часов для I_n более 63 А. ГОСТ Р 50345-2010 (п. 8.6.1).
3. I_n=2,55 — проверочный ток, испытательной ток. При действии тока 2,55 I_n из холодного состояния АВ обязан отключиться за время:
   • от 1 до 60 с для I_n ≤ 32 А
   • или за время от 1 до 120 с, для I_n более 32 А. ГОСТ Р 50345-2010 (п.8.6.1, п.9.10.1.2)
4. Токи расцепления ЭР. Нижний предел диапазона токов срабатывания электромагнитного расцепителя:
   • В = 3 I_n ,
   • С = 5 I_n ,
   • D = 10 I_n).
     Время расцепления – не более 0,1 с. ГОСТ Р 50345-2010 (п.8.6.1). При этом токе ЭМ, вплоть до верхнего предела, расцепитель может сработать, но не обязан. Его “страхует” тепловой, по любому выключая автомат.
5. Верхний предел диапазона токов срабатывания электромагнитного расцепителя:
   • В = 5 I_n,
   • С = 10 I_n,
   • D = 20 I_n.
     Время расцепления – менее 0,1 с. ГОСТ Р 50345-2010 (п.8.6.1). Начиная с этих токов, ЭМ расцепитель обязан выключать автомат.
6. P = U_e I_n — мощность, которую сможет пропустить через себя однополюсный АВ при номинальном рабочем напряжении U_e = 230 В и номинальном токе I_n.
7. P = √3 U_e I_n — мощность, которую сможет пропустить через себя трехполюсный АВ при номинальном рабочем линейном напряжении U_e = 400 В и номинальном токе I_n (трехфазная сеть, нагрузка на номинале в звезде).
8. P = 3 U_e I_n — мощность, которую сможет пропустить через себя трехполюсный АВ при номинальном рабочем линейном напряжении U_e = 400 В и номинальном токе I_n (трехфазная сеть, нагрузка на номинале в треугольнике).
9. Необходимо выбирать АВ с учетом:
   • номинального тока нагрев жилы при допустимом длительном токе кабеля (обычно это не выше +65…70°С),
   • учитывать токи перегрузки кабеля (116%), где он нагревается до критической температуры и
   • допустимые токи АВ в I_n=1,45, что явно больше, чем 116%, в результате чего изоляция может выйти из строя. (Для двухжильного кабеля, проложенного в воздухе ПУЭ, табл. 1.3.4, 1.3.6.)

ГОСТ Р 50571.4.43-2012/МЭК 60364-4-43:2008 Введен 01.01.2014г

ГОСТ Р 50345— 2010. 8.6.1 Нормальная время-токовая характеристик при температуре 30+5 °С

Испы-тания	Тип	Ток испытания	Начальное состояние	Время расцепления или нерасцепления	Требуемый результат	Примечание
a	В, С, D	1.13 ln	Холодноеa)	t ≤ 1 ч (при In ≤ 63 А) t ≤ 2 ч (при In > 63 А)	Без расцепления	____
b	В, С, D	2.45 ln	Сразу же после испытанияa)	t < 1 ч (при In ≤ 63 А) t < 2 ч (при In > 63 А)	Расцепление	Непрерывное нарастание тока в течение 5 с
c	В, С, D	1.55 ln	Холодноеa)	1c < t ≤ 60c (при In ≤ 32 А) 1c < t ≤ 120c (при In > 32 А)	Расцепление	____
d	В С D	3 ln 5 ln 10 ln	Холодноеa)	t ≤ 0.1c	Без расцепления	Ток создается замыканием вспомогательного выключателя
e	В С D	3 ln 10 ln 20 ln	Холодноеa)	t < 0.1c	Расцепление	Ток создается замыканием вспомогательного выключателя

^а) Термин «холодное состояние» означает, что при контрольной температуре калибровки ток предварительно не пропускают.
^b) В особых случаях 50 1п.

П р и м е ч а н и е — Для выключателей типа D рассматривается возможность дополнительного испытания для промежуточного значения между c и d.

• Испытания проводят при любой температуре воздуха, а результаты корректируют по температуре 30 °С на основании поправочных коэффициентов, предоставленных изготовителем.
• В любом случае отклонение испытательного тока от указанного в таблице 7 не должно превышать 1,2 % на 1 °С изменения температуры калибровки.
• Если выключатель маркирован температурой калибровки, отличной от 30 °С, испытание проводят для этой температуры.
• Изготовитель должен подготовить данные по изменению характеристики расцепления для температур калибровки, отличных от контрольного значения.

Таблицы допустимых токов

Токи срабатывания и нагрузка АВ, хар-ка В

Ном. ток In, А	Ток нерасцепления 1,13 In, А	Ток расцепления 1,45 In, А	Проверочный ток 2,55 In, А	Нижн.предел ЭМ расцепителя 3 In, А	Нижн.предел ЭМ расцепителя 5 In, А	Ном. мощн., кВт (230 В)	Ном. мощн., кВт (400 В, Y)	Ном. мощн., кВт (400 В, Δ)	мин.сечение жилы в воздухе S, мм2
1	1.13	1.45	2.55	3	5	0.23	0.69	1.2	0.75
2	2.26	2.9	5.1	6	10	0.46	1.38	2.4	0.75
3	3.39	4.35	7.65	9	15	0.69	2.07	3.6	1
4	4.52	5.8	10.2	12	20	0.92	2.76	4.8	1
5	5.65	7.25	12.75	15	25	1.15	3.45	6	1
6	6.78	8.7	15.3	18	30	1.38	4.14	7.2	1.5
10	11.3	14.5	25.5	30	50	2.3	6.9	12	1.5
13	14.69	18.85	33.15	39	65	2.99	8.97	15.6	1.5
16	18.08	23.2	40.8	48	80	3.68	11.04	19.2	2.5
20	22.6	29	51	60	100	4.6	13.8	24	4
25	28.25	36.25	63.75	75	125	5.75	17.25	30	4
32	36.16	46.4	81.6	96	160	7.36	22.08	38.4	6
40	45.2	58	102	120	200	9.2	27.6	48	10
50	56.5	72.5	127.5	150	250	11.5	34.5	60	16
63	71.19	91.35	160.65	189	315	14.49	43.47	75.6	25

Токи срабатывания и нагрузка автоматического выключателя, хар-ка В

Токи срабатывания и нагрузка АВ, хар-ка C

Ном. ток In, А	Ток нерасцепления 1,13 In, А	Ток расцепления 1,45 In, А	Проверочный ток 2,55 In, А	Нижн. предел ЭМ расцепителя 5 In, А	Нижн. предел ЭМ расцепителя 10 In, А	Ном. мощн., кВт (230 В)	Ном. мощн., кВт (400 В, звезда)	Ном. мощн., кВт (400 В, треуг.)	мин.сечение жилы в воздухе S, мм2
1	1.13	1.45	2.55	5	10	0.23	0.69	1.2	0.75
2	2.26	2.9	5.1	10	20	0.46	1.38	2.4	0.75
3	3.39	4.35	7.65	15	30	0.69	2.07	3.6	1
4	4.52	5.8	10.2	20	40	0.92	2.76	4.8	1
5	5.65	7.25	12.75	25	50	1.15	3.45	6	1
6	6.78	8.7	15.3	30	60	1.38	4.14	7.2	1.5
10	11.3	14.5	25.5	50	100	2.3	6.9	12	1.5
13	14.69	18.85	33.15	65	130	2.99	8.97	15.6	1.5
16	18.08	23.2	40.8	80	160	3.68	11.04	19.2	2.5
20	22.6	29	51	100	200	4.6	13.8	24	4
25	28.25	36.25	63.75	125	250	5.75	17.25	30	4
32	36.16	46.4	81.6	160	320	7.36	22.08	38.4	6
40	45.2	58	102	200	400	9.2	27.6	48	10
50	56.5	72.5	127.5	250	500	11.5	34.5	60	16
63	71.19	91.35	160.65	315	630	14.49	43.47	75.6	25

Токи срабатывания и нагрузка автоматического выключателя, хар-ка C

Токи срабатывания и нагрузка автоматического выключателя, хар-ка D

Ном. ток In, А	Ток нерасцепления 1,13 In, А	Ток расцепления 1,45 In, А	Проверочный ток 2,55 In, А	Нижн. предел ЭМ расцепителя 10 In, А	Нижн. предел ЭМ расцепителя 20 In, А	Ном. мощн., кВт (230 В)	Ном. мощн., кВт (400 В, звезда)	Ном. мощн., кВт (400 В, треуг.)	мин.сечение жилы в воздухе S, мм2
1	1.13	1.45	2.55	10	20	0.23	0.69	1.2	0.75
2	2.26	2.9	5.1	20	40	0.46	1.38	2.4	0.75
3	3.39	4.35	7.65	30	60	0.69	2.07	3.6	1
4	4.52	5.8	10.2	40	80	0.92	2.76	4.8	1
5	5.65	7.25	12.75	50	100	1.15	3.45	6	1
6	6.78	8.7	15.3	60	120	1.38	4.14	7.2	1.5
10	11.3	14.5	25.5	100	200	2.3	6.9	12	1.5
13	14.69	18.85	33.15	130	260	2.99	8.97	15.6	1.5
16	18.08	23.2	40.8	160	320	3.68	11.04	19.2	2.5
20	22.6	29	51	200	400	4.6	13.8	24	4
25	28.25	36.25	63.75	250	500	5.75	17.25	30	4
32	36.16	46.4	81.6	320	640	7.36	22.08	38.4	6
40	45.2	58	102	400	800	9.2	27.6	48	10
50	56.5	72.5	127.5	500	1000	11.5	34.5	60	16
63	71.19	91.35	160.65	630	1260	14.49	43.47	75.6	25

Токи срабатывания и нагрузка автоматического выключателя, хар-ка D

Примеры графиков время-токовой характеристики (ВТХ) АВ

• Правая линия (верхняя) — это холодное (+30°С) состояние, т.е. без предварительного пропускания тока через автомат
• Левая линия (нижняя) — это горячее состояние автомата, который только что был в работе или сразу же после его срабатывания
• Кривая (в верхней части графика) — это область действия теплового расцепителя;
• Прямые участки (нижняя часть графика) — это область действия электромагнитного расцепителя

Температурный коэффициент окружающего воздуха

Кt — чем холоднее, тем больший ток пропустит автомат и наоборот.

Коэффициент, учитывающий количество рядом установленных автоматов

Кn — график учитывает конвекцию тепла и выдает корректирующий коэффициент

Например, 4 автомата при -10°С получат ток I_n: I_n* = I_n · К_t · К_n = 16 · 1,1  · 0,82 = 14,43 (А). Получается, при определении времени срабатывания автомата по характеристике С кратность тока нужно брать не как отношение I/I_n (I/16), а как I/I_n* (I/14,43).

Подключение автоматов гребенкой

• Гребенки бывают с шагом 18 (обычные АВ) и 27 мм (полуторно модульные потребители).
• Количество отводов может составлять: 12, 24, 36, 48 и 60. Как правило, отводы изготавливают сечение 16 мм.кв. (63А)
• Отводы могут быть штыревыми (маркировка pin) или же вилочными, U-образная (fork) — специальный зажим, обычно АВВ. Первые используются гораздо чаще, т.к. вилочные отводы подходят не для все автоматов, для них нужен специальных зажим.

Соединительные шины делятся на:

• однополюсные,
• двухполюсные,
• трехполюсные и
• четырехполюсные.

Монтаж

Согласно требованиям нормативных документов, фазная шина размещается только на верхних контактах автоматов, объединяемых в одну линейку.

Источники:

• ¹ Кабышев А. В., Тарасов Е. В. Низковольтные автоматические выключатели: учебное пособие / Томский политехнический университет.— Томск: Изд-во ТПУ, 2011. — 346 с.
• ² ГОСТ 14254-2015 (IEC 60529:2013) Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP) (Издание с Поправкой)
• ³ ГОСТ 15150-69. Климатическое исполнение, категория размещения UA
• ⁴  ГОСТ 17516.1-90 Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам (с Изменениями N 1, 2)
• ⁵  ГОСТ Р 50030.2-2010 (МЭК 60947-2:2006) Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 2. Автоматические выключатели

Прочие источники

• Автоматические выключатели: типы, характеристики — www.kp.ru/guide/avtomaticheskie-vykljuchateli.html
• Измерение тока КЗ в домашних условиях samelectric.ru/powersupply/izmerenie-toka-kz-v-domashnih-usloviyah.html
• Время-токовые характеристики автоматических выключателей в таблицах samelectric.ru/spravka/vremya-tokovye-harakteristiki-avtomaticheskih-vyklyuchatelej-v-tablitsah.html