Автомати́ческий выключа́тель (англ. Circuit breaker) — контактный коммутационный аппарат, способный включать токи, проводить их и отключать при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить в течение нормированного времени и отключать токи при нормированных ненормальных условиях в цепи, таких как короткое замыкание^[1].

История изобретения

Автомат защиты линии был изобретён американским учёным Чарлзом Графтоном Пэйджем в 1836 году. Первую конструкцию автоматического выключателя описал Эдисон в 1879 году, в то время как его коммерческая система электроснабжения использовала плавкие предохранители. Конструкция современных автоматических выключателей была запатентована швейцарской компанией Brown, Boveri & Cie в 1924 году.

Роль в электрической цепи

Автоматический выключатель предназначен для защиты электрической цепи от сверхтока. Главным отличием от плавкой вставки является возможность многократного использования.

Классификация

ГОСТ

ГОСТ 9098-78 устанавливает следующую классификацию автоматических выключателей:

1. По роду тока главной цепи: постоянного тока; переменного тока; постоянного и переменного тока.
   Номинальные токи главных цепей выключателей, предназначенных для работы при температуре окружающего воздуха 40 °C, должны соответствовать ГОСТ 6827. Номинальные токи для главных цепей выключателя выбирают из ряда: 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1 000; 1 600; 2 500; 2000; 4 000; 6 300 А. Дополнительно могут выпускаться выключатели на номинальные токи главных цепей выключателей: 1 500; 3 000; 3 200 А.
   Номинальные токи максимальных расцепителей тока выключателей, предназначенных для работы при температуре окружающего воздуха 40 °C, должны соответствовать ГОСТ 6827.
   Допускаются номинальные токи максимальных расцепителей тока: 15; 45; 120; 150; 300; 320; 600; 1 200; 1 500; 2000; 3 000; 3 200 А
2. По конструкции: воздушный автоматический выключатель (англ. Air Circuit Breaker, сокращенно АСВ) от 800 А до 6 300 А, выключатель в литом корпусе (с англ. — «МССВ») от 10 А до 2500 А, модульные автоматические выключатели (с англ. — «МСВ») от 0,5 А до 125 А.
3. По числу полюсов главной цепи: однополюсные; двухполюсные; трёхполюсные; четырёхполюсные.
4. По наличию токоограничения: токоограничивающие; нетокоограничивающие.
5. По видам расцепителей: с максимальным расцепителем тока; с независимым расцепителем; с минимальным или нулевым расцепителем напряжения.
6. По характеристике выдержки времени максимальных расцепителей тока: без выдержки времени; с выдержкой времени, независимой от тока; с выдержкой времени, обратно зависимой от тока; с сочетанием указанных характеристик.
7. По наличию свободных контактов («блок-контактов») для вторичных цепей: с контактами; без контактов.
8. По способу присоединения внешних проводников: с задним присоединением; с передним присоединением; с комбинированным присоединением (верхние зажимы с задним присоединением, а нижние — с передним присоединением или наоборот); с универсальным присоединением (передним и задним).
9. По виду установки: выкатные с втычными контактами; стационарные.
10. По виду исполнения отсечки: селективные, неселективные.
11. По виду привода: с ручным; с двигательным; с пружинным.
12. По наличию и степени защиты выключателя от воздействия окружающей среды и от соприкосновения с находящимися под напряжением частями выключателя и его движущимися частями, расположенными внутри оболочки (в соответствии с требованиями ГОСТ 14255).

Селективный автоматический выключатель

В стандартах СССР и России селективные автоматические выключатели — это автоматические выключатели с выдержкой времени (0,25—0,6 с) при отсечке (см. статью «Токовая отсечка»)^[2]. Такие выключатели, в сочетании с выключателями с мгновенной отсечкой на нижней ступени, позволяют строить селективное срабатывание при к. з.

Селективные автоматические выключатели (англ. Selective Main Circuit Breaker) в соответствии с немецким стандартом DIN VDE 0641-21 также имеют функцию селективности, но осуществляют её другим способом.

Устройство

Автоматические выключатели бывают одно-, двух-, трёх- или четырёхполюсными и имеют следующие конструктивные узлы: главную контактную систему, дугогасительную систему, привод расцепляющего устройства, расцепитель (расцепители), вспомогательные контакты (необязательно).

Контактная система может быть трёхступенчатой (с главными, промежуточными и дугогасительными контактами), двухступенчатой (с главными и дугогасительными контактами) и одноступенчатой (при использовании металлокерамики).

Дугогасительная система может состоять из камер с узкими щелями или из камер с дугогасительными решётками. Комбинированные дугогасительные устройства — щелевые камеры в сочетании с дугогасительной решеткой — применяют для гашения дуги при больших токах.

Для каждого исполнения автоматического выключателя существует предельный ток короткого замыкания, который гарантированно не приводит к выходу из строя автомата. Превышение этого тока может вызвать подгорание или сваривание контактов. Например, у популярных серий бытовых автоматов при токе срабатывания 6-50 А предельный ток обычно составляет 1 000—10 000 А.

Автоматические выключатели изготовляют с ручным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.

Привод автоматического выключателя служит для включения, автоматического отключения и может быть ручным непосредственного действия и дистанционным (электромагнитным, пневматическим и т. п.).

Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, называемые расцепителями.

Расцепители

Расцепители — это электромагнитные, электронные, микропроцессорные или термобиметаллические элементы, служащие для отключения автоматического выключателя через механизм свободного расцепления при КЗ, перегрузках и исчезновении напряжения в первичной цепи (непосредственно: электромагнитные и термобиметаллические элементы; либо косвенно через отдельный независимый электромагнитный расцепитель: электронные и микропроцессорные).

Механизм свободного расцепления состоит из рычагов, защелок, коромысел и отключающих пружин и предназначен для мгновенного отключения автоматического выключателя (вне зависимости от положения органа включения: невозможность удержания автоматического выключателя во включённом положении при срабатывании расцепителя), а также для устранения повторного включения автоматического выключателя на короткое замыкание при длительно существующей команде на включение.

• Электромагнитный расцепитель (отсечка) — расцепитель мгновенного действия, представляет собой соленоид (7), подвижный сердечник которого также может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет по обмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога тока. Мгновенный расцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительно большем превышении тока: в 2÷10 раз от номинала, в зависимости от типа (автоматические выключатели делятся на типы (классы) A, B, C и D в зависимости от чувствительности мгновенного расцепителя). В автоматических выключателях на большие токи начиная с 1970-х годов стали применять электронные расцепители (например отечественные автоматические выключатели серии «Электрон», некоторые типы автоматов серий А-37, ВА), а в последнее время и микропроцессорные расцепители (микропроцессорные блоки защиты)^[2][3].
• Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину (5), нагреваемую протекающим током. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока (время-токовая характеристика) и может изменяться от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать^[4] тепловой расцепитель, составляет 1,45 от тока уставки теплового расцепителя. Настройка тока срабатывания производится в процессе изготовления регулировочным винтом (6). В отличие от плавкого предохранителя, автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Биметаллическая пластина представляет собой ленту из двух металлических полос с разными коэффициентами теплового расширения. В автоматическом выключателе она выполняет роль теплового расцепителя. Две полосы не сплавлены между собой и обычно скреплены с одного конца пайкой или сваркой. Другие концы закреплены неподвижно. Биметаллическая пластина включена в цепь последовательно с нагрузкой. В результате её нагревания электрическим током пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения. В случае перегрузки изгиб пластины обеспечивает отключение автоматического выключателя^[5].

Отключение

Отключение может происходить без выдержки времени или с выдержкой. По собственному времени отключения t_с, о (промежуток от момента, когда контролируемый параметр превзошёл установленное для него значение, до момента начала расхождения контактов) различают нормальные выключатели (t_с, о = 0,02-1 с), выключатели с выдержкой времени (селективные) и быстродействующие выключатели (t_с, о < 0,005 с).

Нормальные и селективные автоматические выключатели токоограничивающим действием не обладают. Быстродействующие выключатели, так же как предохранители, обладают токоограничивающим действием, так как отключают цепь до того, как ток в ней достигнет значения І_у.

Селективные автоматические выключатели позволяют осуществить селективную защиту сетей путём установки автоматических выключателей с разными выдержками времени: наименьшей у потребителя и ступенчато возрастающей к источнику питания.

Характеристики

Ток мгновенного расцепления

Согласно ГОСТ Р 50345-2010 (п.5.3.5), бытовые автоматические выключатели переменного тока делятся на следующие типы (классы) по току мгновенного расцепления:

• тип B: свыше 3·I_n до 5·I_n включительно (где I_n — номинальный ток) (применяется для защиты линий освещения или линий имеющих большую протяженность)
• тип C: свыше 5·I_n до 10·I_n включительно (применяется для защиты розеточных групп или линий с потребителями с умеренными пусковыми токами)
• тип D: свыше 10·I_n до 20·I_n включительно (применяетс для защиты трансформаторов или линий с потребителями с большими пусковыми токами)

Промышленные автоматические выключатели могут быть следующих типов:

• тип L: свыше 8·I_n
• тип Z: свыше 4·I_n
• тип K: свыше 12·I_n

У европейских производителей классификация может несколько отличаться. В частности, имеется дополнительный тип A (свыше 2·I_n до 3·I_n).

У АВВ имеются автоматические выключатели с кривыми K (8 — 14·I_n) и Z (2 — 4·I_n), соответствующие стандарту МЭК 60947-2.

Испытание автоматических выключателей

Характеристики выключателей проверяют в ходе типовых испытаний (стойкость маркировки; надежность винтов, токопроводящих частей и соединений; надежность выводов для внешних проводников; защита от электрических ударов; электроизоляционные устройства; превышение температуры (28-суточное испытание); характеристика расцепления; механическая и коммутационная износостойкость; короткое замыкание; стойкость против механических толчков и ударов; термостойкость; стойкость против аномального нагрева и огня; коррозиеустойчивость).

Варианты исполнения

Модульный автоматический выключатель

Автоматический выключатель, рассчитанный на небольшие токи, в настоящее время, чаще всего имеет модульную конструкцию, которая предназначена для крепления на DIN-рейку. Внутреннее устройство модульного автоматического выключателя показано на рисунке справа. Включение-выключение производится рычажком (1), провода подсоединяются к винтовым клеммам (2). Защелка (9) фиксирует корпус выключателя на DIN-рейке и позволяет при необходимости легко его снять (для этого нужно оттянуть защелку, вставив плоскую отвёртку в петлю защелки). Коммутацию цепи осуществляют подвижный (3) и неподвижный (4) контакты. Подвижный контакт подпружинен, пружина обеспечивает усилие нажатия контактов во включённом состоянии и быстрое их отключение при срыве собачки механизма расцепления посредством одного из двух расцепителей: теплового (5) или электромагнитного (7). Во время расцепления контактов может возникнуть электрическая дуга, поэтому контакты имеют особую форму и находятся рядом с дугогасительной решёткой (8).

См. также