Gsadryer.ru

Промышленное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Автоматический выключатель: назначение, устройство, применение

Автоматический выключатель: назначение, устройство, применение

Однофазный автоматический выключатель

При нарушении правил безопасного использования электрического тока могут наступить очень серьёзные последствия. Возникновение пожара в результате короткого замыкания может привести не только к материальным потерям, но и человеческим жертвам. Чтобы максимально обезопасить объект, в котором имеются проводники под высоким напряжением, применяется автоматический выключатель. Такой автомат защиты или дифференциальный автомат должен быть установлен в любом жилом доме, а также на производственных объектах.

Устройство автоматического выключателя

Аналогичная задача решается при помощи так называемых автоматических выключателей (АВ). В отличие от плавких одноразовых предохранителей, автоматы – достаточно сложные приборы, при выборе их следует учитывать имеет несколько параметров.

Они также последовательно включаются в цепь. При повышении тока автоматический выключатель цепь разрывает. Автоматические выключатели выпускаются самого разного конструктивного исполнения и с различными параметрами. Наиболее распространены сегодня автоматы для крепления на ДИН-рейку (рис. 1).

Широко известны ещё советских времен автоматы АП-50 (рис. 3-5) и многие другие. Автоматы выпускаются с количеством полюсов (линий для подключения) от одного до четырёх. При этом двух- и четырёхполюсные автоматы могут иметь в своем составе не только защищенные, но и не защищённые контактные группы, которые обычно используются для разрыва нейтрали.

Состав и устройство АВ

В состав большинства автоматических выключателей входят:

  • механизм ручного управления (используется для ручного включения и выключения автомата);
  • коммутирующее устройство (набор подвижных и неподвижных контактов);
  • дугогасительные устройства (решетка из стальных пластин);
  • расцепители.

Дугогасительные устройства обеспечивают гашение и выдувание дуги, которая образуется при размыкании контактов, через которые проходит сверхток(рис.2)

Расцепитель – устройство (часть автомата или дополнительное устройство), механически связанное с механизмом АВ и обеспечивающее размыкание его контактов.

В составе автоматического выключателя имеются обычно два расцепителя.

Первый расцепитель – реагирует на долговременную, но небольшую перегрузку сети (тепловой расцепитель). Обычно это устройство на основе биметаллической пластины, которая под действием проходящего через неё тока постепенно нагревается, изменяет конфигурацию. В конце концов она нажимает на удерживающий механизм, который освобождает и размыкает подпружиненный контакт.

Второй расцепитель – так называемый, «электромагнитный». Он обеспечивает быструю реакцию АВ на короткое замыкание. Конструктивно этот расцепитель представляет из себя соленоид, внутри катушки которого находится подпружиненный сердечник со штырьком, упирающимся в подвижный силовой контакт.

Обмотка включена в цепь последовательно. При коротком замыкании ток в ней резко возрастает, за счет чего увеличивается магнитный поток. При этом преодолевается сопротивление пружины, и сердечник размыкает контакт.

Параметры АВ

Первый параметр – номинальное напряжение. Выпускаются автоматы для только постоянного тока и для переменного и постоянного. Автоматы для постоянного тока для общего использования достаточно редки. В бытовых и промышленных сетях используются в основном АВ для переменного и постоянного тока. Чаще всего используются АВ с номинальным напряжением 400В, 50Гц.

Читайте так же:
Подключение однополюсного выключателя розетки

Второй параметр – номинальный ток (Iн). Это тот рабочий ток, который автомат пропускает через себя в длительном режиме. Обычный ряд номиналов (в амперах) – 6-10-16-20-25-32-40-50-63.

Третий параметр – отключающая способность, предельная коммутирующая способность (ПКС). Это максимальная сила тока короткого замыкания, при которой автомат сможет разомкнуть цепь, не разрушившись. Обычный ряд паспортных значений ПКС (в килоамперах) – 4,5-6-10. При напряжении 220 В, это соответствуют сопротивлению сети (R=U/I) 0.049 Ом, 0,037 Ом, 0,022 Ом.

Как правило, сопротивление проводов бытовой электросети может достигать 0,5 Ом, ток короткого замыкания на уровне 10 кА возможен только в непосредственной близости от электроподстанции. Поэтому самые распространённые ПКС – 4,5 или 6 кА. Автоматы с ПКС 10 кА применяются в основном в промышленных сетях.

Четвертый параметр, характеризующий АВ, — это ток уставки (уставка) теплового расцепителя. Этот параметр для различных автоматов составляет от 1,13 до 1,45 от номинального тока. Мы отмечали, что при прохождении номинального тока гарантируется длительная работа цепи с АВ.

Уставка теплового расцепителя больше номинала, именно достижение реальным током величины уставки вызовет отключение автомата. Следует отметить, что в автоматах советского периода предусмотрена ручная регулировка уставки тепловой защиты (рис. 5). Доступ к регулировочному винту в автоматах, устанавливаемых на ДИН-рейку невозможен.

Пятый параметр автоматического выключателя – ток уставки электромагнитного расцепителя. Этот параметр определяет кратность превышения номинального тока, при которой АВ сработает практически мгновенно, среагировав на короткое замыкание.

Важная характеристика автомата – это зависимость времени срабатывания от тока (рис. 6). Эта зависимость состоит из двух зон. Первая – зона ответственности тепловой защиты. Особенность её – постепенное уменьшение времени прохождения тока до расцепления. Это понятно – чем больше ток, тем быстрее нагревается биметаллическая пластина и размыкается контакт.

При очень большом токе (коротком замыкании) практически мгновенно (за 5 – 20 мс) срабатывает электромагнитный расцепитель. Эта вторая зона на нашем графике.

По уставке электромагнитного расцепителя все автоматы подразделяются на несколько типов:

  • A Преимущественно для защиты электронных схем и цепей большой протяжённости;
  • B Для обычных осветительных цепей;
  • C Для цепей с умеренными пусковыми токами (двигатели н трансформаторы бытовых приборов);
  • D Для цепей с большой индуктивной нагрузкой, для промышленных электродвигателей;
  • K Для индуктивных нагрузок;
  • Z Для электронных устройств.

Наиболее распространены – B, C и D.

Характеристика В – используется для сетей общего назначения, особенно там, где необходимо обеспечить селективность защиты. Электромагнитный расцепитель настроен на срабатывание при кратности тока по отношению к номиналу от 3 до 5.

При подключении чисто активных нагрузок (лампочек накаливания, обогревателей…) пусковые токи практически равны рабочим. Однако при подключении электродвигателей (даже холодильников и пылесосов) пусковые токи могут быть значительными и вызвать ложное срабатывание автомата с рассматриваемой характеристикой.

Читайте так же:
Сертификаты соответствия выключатели бытовые

Наиболее распространены автоматы с характеристикой С. Они достаточно чувствительны, и в то же время не дают ложных срабатываний при пуске двигателей бытовой техники. Такой выключатель срабатывает при 5-10 кратном превышении номинального значения. Такие автоматы считаются универсальными и применяются всюду, включая промышленные объекты.

Характеристика D – это уставка электромагнитного расцепителя на 10 – 14 номиналов по току. Обычно такие значения нужны при использовании асинхронных двигателей. Как правило автоматы с характеристикой D используются в трёх- или четырёхполюсном исполнении для защиты промышленных сетей.

При совместном использовании автоматических выключателей нужно иметь представление о таком понятии, как селективная защита. Построение селективной защиты обеспечивает срабатывание автоматов, находящихся ближе к месту аварии, при этом более мощные автоматы, расположенные ближе к источнику напряжения, срабатывать не должны. Для этого более чувствительные и быстродействующие автоматы устанавливаются ближе к потребителям.

Существует ли разница ввода — подключать автомат сверху или снизу?

При перегрузке или коротком замыкании нагревается проводник и плавится изоляция. Внутри корпуса находятся тепловой и электромагнитный механизмы расцепления, которые срабатывают при сверхвысоких токах. Исходя из принципа срабатывания, нет разницы, через какой из контактов будет проходить электричество.

Некоторые известные производители (ABB, Hager) допускают подключение силового кабеля к нижней клемме. Специально для этого корпус оборудуется зажимами под гребенчатые шины.

В обозреваемых выше моделях неподвижное соединение находится сверху (как и в старых образцах советского производства). Но, как определить его местонахождение в китайских моделях без обозначений на корпусе?!

Согласно правилам ПУЭ, коммутация питающего провода сверху является требованием эстетики и порядка. Аналогичным образом, сверху подключаются и промышленные рубильники РБ — при отключении электрик точно будет знать, что нижнее соединение обесточено.

Но, как показывает практика, фаза может быть подведена и снизу и даже с боку, в зависимости от планирования проводки. Как правило, чем более качественно произведен монтаж модульного оборудования в электрощитке, тем быстрее и проще определить направление движения тока, независимо от места входа фазы.

Причины нагрева

Любой автоматический выключатель нагревается во время работы. Причина этого явления — встроенная тепловая защита, отключающая автомат при перегрузке.

Действующим элементом этого расцепителя является биметаллическая пластинка, которая изгибается при нагреве. Конец пластины давит на механизм выключателя, что приводит к срабатыванию защиты.

Нагрев теплового расцепителя происходит при протекании по нему электрического тока, из-за чего автомат всегда немного теплее окружающей среды, однако его температура не должна превышать 60-70°С.

Если корпус аппарата нагрет выше допустимой температуры и при этом происходит частое отключение устройства без превышения нагрузки на линии, то причиной перегрева, скорее всего, является плохой контакт подключённых проводов в клеммах устройства.

Электродинамический расчет магнитного выключателя

Author Image

Вы когда-нибудь подключали слишком много устройств в электрическую сеть? Если да, то это могло привести к перегрузке и повреждению некоторых её компонентов. Во избежание такой ситуации, во многих домах используются автоматические выключатели. Они размыкают цепь при достижении критического тока. Есть также другие типы автоматических выключателей, которые предотвращают ситуации с перенапряжением, например, в городских линиях электропередач. В данной заметке мы расскажем об использовании моделирования для исследования одного из видов промышленных автоматических выключателей, рассчитанных на интенсивную работу. Речь пойдет о магнитном силовом выключателе.

Читайте так же:
Схема работы вакуумного выключателя

Автоматические выключатели повышают безопасность электрических систем

В жилых домах мощность обычно распределяется между потребителями, подключёнными к общему щитку. Если слишком много устройств подключено к одной электросети, может возникнуть перегрузка. Другие аварийные режимы, например протекание сверхтоков, также могут серьёзно повредить важные дорогостоящие части системы, приводя и необходимости их ремонта и создавая опасность пожара.

Автоматические выключатели (АВ) и предохранители помогают предотвратить такие ситуации. Давайте подробнее остановимся на АВ. При возникновении аварийного режима они срабатывают и отключают ток, перемещая якорь (подвижную часть магнитопровода). В отличие от предохранителей, автоматические выключатели не нужно заменять после каждого срабатывания, их достаточно просто вернуть в исходное состояние (сделать reset). Это обстоятельство является весомым преимуществом при выборе АВ.

Изображение панели автоматического выключателя в жилом здании.

Панель автоматического выключателя.

Автоматические выключатели можно классифицировать по следующим критериям:

  • Тип конструкции
  • Номинальное напряжение
  • Структура
  • Типы размыкания цепей

До этого момента мы говорили только о выключателях, которые находят бытовое применение. Однако выключатели различных конструкций защищают электрические контуры с гораздо большими токами, чем в жилых домах. Они используются, к примеру, в линиях электропередач, на заводах и фабриках. В данной заметке мы проведем анализ одного из таких типов промышленных АВ: магнитного силового выключателя. В данном электромеханическом устройстве якорь перемещается под действием магнитного поля, создаваемого протекающим в катушке током. При выключении тока переключатель становится в исходное положение.

Высокоточное моделирование магнитного силового выключателя с использованием функционала модуля AC/DC

Основные задачи рассматриваемой учебной модели магнитного силового выключателя заключаются в:

  1. Демонстрации техники моделирования устрйоств такого типа
  2. Изучении принципов работы и рабочих характеристик автоматического выключателя

Геометрию модели можно создать, используя встроенные в программное обеспечение COMSOL Multiphysics® CAD-инструменты. Также можно использовать готовые параметризованные CAD-заготовки (Geometry Parts) для более гибкой и удобной отрисовки. В следствие симметрии модели можно использовать только 1/4 её часть. Для расчёта электромагнитных полей необходимо добавить воздушную область вокруг самого устройства.

Геометрия силового магнитного выключателя.

Геометрия магнитного силового выключателя.

Геометрия состоит из двух Ш-образных (E-shaped) магнитопроводов, которые разделены воздушным зазором. Нижняя часть (сердечник) неподвижна, а подвижная верхняя (якорь или плунжер) удерживается в начальном положении преднапряженной (возвратной) пружиной. При протекании тока по медной катушке, которая намотана на центральный стержень сердечника, на якорь действует электромагнитная сила притяжения. Для расчета этой силы в модели можно воспользоваться узлом Force Calculation (Расчет силы). Затем рассчитанную величину можно использовать в обыкновенном дифференциальном уравнении (ОДУ) для описания динамики якоря на основе ньютоновской механики.

Читайте так же:
Проходной выключатель схема условное обозначение

В конечном счёте сила достигает порогового значения и якорь притягивается к сердечнику. Время срабатывания зависит от жёсткости пружины. В данной модели помимо жесткости, также учитываются и задаются ограничения, которые позволяют эффективно описать удержание якоря в положении равновесия.

Для моделирования динамики изменения зазора можно использовать физические интерфейсы Magnetic Fields (Магнитные поля) и Moving Mesh (Подвижная сетка). С помощью такой комбинации можно рассчитать магнитные поля в изменяющейся со временем геометрии.

Анимация движения якоря в магнитном силовом выключателе.

В модели можно рассчитывать движение и время срабатывания с учётом магнитных сил и индуцированных токов.

Давайте, как раз перейдем к рассмотрению результатов расчета динамики движения магнитного силового выключателя, который представляется абсолютно твердым (rigid) телом.

Расчёт динамики магнитного силового выключателя во временной области

Основное исследование в модели — это нестационарный расчет во временной области от t = 0 с до t = 1 с, при этом его можно можно разбить на несколько диапазонов. Ток увеличивается в первые 45 мс. В течении этого времени якорь не двигается с места, так как электромагнитная сила притяжения меньше, чем возвратная сила пружины. В диапазоне времени 45 — 85 мс электромагнитная сила становится больше, и якорь начинает движение вниз к сердечнику.

Во время движения ток начинает уменьшаться в следствие изменения индуктивности. Когда якорь притягивается к сердечнику, а зазор замыкается, индуктивность минимальна. Далее, так как контакт между сердечником и якорем создаёт новую стационарную RL-цепь, ток начинает снова возрастать. Крутизна этого роста зависит от ещё одного характерного времени.

Норма магнитной индукции в момент времени t=0.05 c.

Норма магнитной индукции в момент времени t=0.1 c.

Распределение нормы магнитной индукции при открытом воздушном зазоре t = 0.05 с (слева) и закрытом зазоре t = 0.1 с (справа). Индуцированные вихревые токи, которые мы видим на изображении, экранируют внутреннюю часть сердечника от магнитного поля. Для качественного разрешения скин-эффекта (в частности на визуализации) рекомендуется использовать подгранслойную сетку с характерным размером, соответствующим толщине поверхностного скин-слоя.

Результаты расчета показывают изменение плотности тока и магнитной индукции с течением времени. Как показано ниже, пружина максимально сжимается при t = 0.1 с (снизу слева). Обратите внимание, что индуцированные токи в сердечнике при t = 0.5 с (справа снизу) затухают задолго до окончания расчёта.

Графики в COMSOL с результатами электродинамического расчета магнитного силового выключателя.

Графики плотности тока (поверхностный график) и магнитной индукции (линии тока) в модели магнитного силового выключателя. Анализировались случаи, когда пружина находится в преднапряженном состоянии (сверху слева), когда она начинается сжиматься (сверху справа), когда она достигает максимального сжатия (снизу слева), и когда она полностью сжата, а индуцированные токи в сердечнике достигают минимального значения (справа снизу).

Также можно рассчитать потери в сердечнике, вызванные индуцированными токами. Это полезно при исследовании потенциального нагрева устройства, что является важным аспектом при проектировании АВ.

Читайте так же:
Расчет защит автоматическими выключателями

Модель в COMSOL для изучения перегрева магнитного силового выключателя.

Потери в сердечнике, вызванные индуцированными токами, при t = 50, 100, and 200 мс.

Для наглядного изучения работы АВ в динамике удобно использовать следующие одномерные графики. Посмотрим на начальный диапазон до начала движения якоря. В это время пружина не сжата, а зазор остаётся неизменным (показан на графике зелёной линией). Мы видим, что нормированный ток (синяя линия) практически совпадает с откликом идеальной системы (красная линия).

Одномерный график с характеристиками силового магнитного выключателя перед срабатыванием.

Графики зависимостей нормированного тока, величины зазора и идеального отклика системы от времени.

Расширим диапазон и посмотрим на динамику системы во время движения якоря. На графике ниже изображена механическая мощность (красная линия), которая отлична от нуля только во время движения якоря. Когда зазор становится равным нулю, механическая мощность снова становится равной нулю.

Одномерный график с характеристиками силового магнитного выключателя в процессе срабатывания.

Графики зависимостей механической мощности, величины зазора и нормированного тока от времени.

Давайте теперь проанализируем потери на индукционные токи в сердечнике (красная линия на графике ниже) в течении всего расчетного времени. Эти потери довольно велики при движении якоря. Этот фактор очень важен при проектировании устройства в зависимости от предполагаемых рабочих характеристик. Когда якорь прекращает движение, нормированный ток снова начинает увеличиваться. Это ожидаемо для нелинейной RL-цепи.

Одномерный график с характеристикам силового магнитного выключателя (весь расчетный диапазон).

Графики зависимостей потерь на вихревые токи, величины зазора и нормированного тока от времени.

Моделирование может быть полезным инструментом при изучении автоматических выключателей, таких как магнитный силовой выключатель. Используя данную модель в качестве референса, вы можете начать проектировать магнитные силовые выключатели. Скачайте учебную модель для самостоятельно ознакомления.

Производителей выключателей великое множество. И только дело вкуса, какую компанию выбрать. Зарубежную:

  • ABB;
  • IEK;
  • Legrand;
  • Schneider electric;
  • Контактор;
  • Электротехник;
  • ТДМ Электрик.

Способы оплаты услуг по комплектации и сборке электрощитов:

Для удобства наших Заказчиков оплату работ по комплектации и сборке электрических щитов можно выполнить следующими способами:

Ток расцепителя автоматического выключателя

Ток расцепителя автоматического выключателя имеет конкретное значение (номинал), означающий величину тока, при котором автомат разомкнет цепь. Ток в тепловом расцепителе всегда равен или меньше номинального тока автоматического выключателя. При любом превышении токовой нагрузки на расцепитель будет происходить отключения автомата. При этом время, через которое произойдет размыкание контактов, зависит от времени протекания тока превышенной нагрузки. Время отключения теплового расцепителя можно рассчитать, используя время-токовые характеристики.

Ток электромагнитного расцепителя отключает автомат мгновенно при превышении номинального тока автоматического выключателя, чаще всего это происходит при коротком замыкании. Перед КЗ в сети очень быстро нарастает величина тока, которую учитывает устройство электромагнитного расцепителя, в результате происходит очень быстрое воздействие на механизм расцепления. Скорость срабатывания в этом случае составляет доли секунды.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector