2.9.3 Автоматичні вимикачі

Автоматичні вимикачі (автомати) призначені для автоматичного вимикання електричних кіл при анормальних і аварійних режимах: коротких замиканнях, перевантаженнях, надмірному зниженні напруги і т.д., а також для нечастих вмикань і вимикань вручну номінальних струмів навантаження.

Автоматичний вимикач складається з корпуса, головних і допоміжних контактів, дугогасної системи, привода, механізму вільного розчеплення і елементів захисту - розчіплювачів.

Автоматичні вимикачі загальнопромислового і побутового призначення мають максимально-струмовий захист, відрегульований на заводі на певний струм спрацювання. Для захисту обслуговуючого персоналу від дотикання до струмоведучих частин вони обладнані пластмасовим корпусом із кришкою. Ці апарати, вмонтовані у розподільчі і комплектні пристрої, називаються установочними.

Головні контакти автоматичних вимикачів, як правило, виконуються з металокерамічними або срібними накладками. У апаратів з номінальним струмом до 200 А встановлюють одну пару контактів. Автомати з номінальними струмами понад 200 А мають двоступінчасті контакти з перекачуванням або дві пари контактів: основні і дугогасні. Основні контакти облицьовують срібними або металокерамічними накладками, дугогасні – дуготривкою металокерамікою.

Приводи автоматичних вимикачів бувають ручними і електромеханічними. У апаратів з номінальним струмом до 200 А приводи ручні. При струмах до 1000 А використовують електромагнітні приводи, а у автоматів на 1500 А і більше – електродвигунні.

Зусилля від привода до рухомих контактів автомата передається через спеціальний механізм вільного розчеплення, призначений для передачі руху від привода до контактів; утримання контактів у замкненому стані; звільнення контактів при вимиканні апарата; надання контактам швидкості, необхідної для успішного гасіння дуги; фіксації контактів у вимкненому стані; підготовки вимикача до наступного вмикання. В установочних і універсальних автоматах використовуються механізми, які працюють на принципі зламуваного важеля.

Автоматичне вимикання автоматів здійснюється під дією розчі-плювачів. Залежно від виду параметра електричного кола, на який вони реагують, бувають максимальні розчіплювачі струму, мінімальні розчіплювачі напруги, незалежні розчіплювачі напруги та ін.

Максимальні розчіплювачі струму поділяються на електромагнітні і теплові. Електромагнітний розчіплювач складається з котушки, яка вмикається послідовно в коло навантаження, магнітопровода, осердя з бойком і пружини. В нормальному режимі магнітний потік, створюваний котушкою, недостатній для втягування осердя. При протіканні струму короткого замикання магнітний потік і втягувальна сила зростають, осердя пересилює протидію пружини і діє на механізм вільного розчеплення, який звільняє рухомі контакти автомата. Для створення витримок часу між електромагнітним розчіплювачем і механізмом вільного розчеплення ставлять пристрої затримки: годинникові механізми, гідравлічні або пневматичні уповільнювачі. Але найчастіше вимикачі обладнуються розчіплювачами миттєвої дії, які спрацьовують на протязі 0,01 с. Уставка струму спрацювання електромагнітних розчіплювачів миттєвої дії (струм відсічки) у кілька разів перевищує номінальний струм розчіплювачів.

За Європейським стандартом EN 60898 захисна характеристика електромагнітного розчіплювача автоматичного вимикача має відповідати таким вимогам (при умовній температурі +30°С)

Тип захисної характеристики	Кратність струму спрацювання	Сфера застосування вимикача
Z	(2,4...3,6) Іном	Електроустановки зі значною протяжністю електро-проводки (малі струми короткого замикання), а також для захисту напівпровідникових пристроїв
В	(3...5) Іном	Електроустановки, що не мають значних пускових струмів, зокрема електропроводки жилих будинків
С	(5...10) Іном	Електроустановки з “ударними” навантаженнями, що перевищують струм нормального режиму до 5 разів (багатополюсні асинхронні електродвигуни, освітлювальні установки з газорозрядними лампами)
D	(10...20) Іном	Електроустановки зі значними пусковими струмами (трансформатори, двополюсні асинхронні електродвигуни тощо)

Для захисту від струмів перевантаження автоматичні вимикачі споряджуються тепловими розчіплювачами, які створюють зворотно-залежну від струму навантаження витримку часу. Вимірювальним елементом теплового розчіплювача є біметалева пластинка, яка прямо або через спеціальний нагрівний елемент нагрівається струмом навантаження. При збільшенні струму навантаження збільшується прогин біметалевої пластинки, вільний кінець якої діє на механізм вільного розчеплення. Згідно з стандартом EN60898 теплові розчіплювачі автоматичних вимикачів при температурі +30° не повинні спрацьовувати на протязі 1 год. при струмі 1,13 І_ном; повинні спрацьовувати при струмі 1,45 І_ном за час не більше 1 год., а при струмі 2,55 І_ном – за час 1…60 с.

Якщо у вимикачі встановлено електромагнітні і теплові розчіплювачі, їх називають комбінованим розчіплювачем максимального струму, приклад захисної характеристики якого наведено на рис. 2.12.

Розчіплювачі мінімальної напруги призначені для вимикання автоматів при недопустимому зниженні напруги. Котушка розчіплювача вмикається через замикаючий допоміжний контакт автомата на напругу мережі. Допоміжний контакт замикається раніше головних і вмикає котушку розчіплювача в мережу. Якір електромагніта розчіплювача притягується, готуючи автомат до вмикання. При зниженні напруги нижче мінімально допустимого значення під дією пружини електромагніт розчіплювача розмикається і автомат спрацьовує.

Для дистанційного вимикання в автоматичних вимикачах вбудовують незалежні розчіплювачі, котушки яких виконують для живлення постійним або змінним струмом різного рівня напруги. Котушки розраховані на короткочасний режим роботи. Для дистанційного вимикання можна використати також і розчіплювач мінімальної напруги, увімкнувши послідовно з його обмоткою розмикаючий контакт кнопки.

На рис. 2.13 зображена електромеханічна схема автоматичного вимикача. Струмоведуча частина головного кола складається з основних 3 і дугогасних 1 контактів. Електричний зв'язок рухомого контакту з нерухомими струмоведучими частинами забезпечує гнучка в'язь 4. Для гасіння дуги передбачена камера 2. Вмикання і вимикання апарата вручну здійснюється рукояткою 11. Для дистанційного вмикання використовують електромагніт 12.

Механізм вільного розчеплення складається з двох важелів 13 і 15, скріплених між собою віссю О₃. При вимкненому апараті вісь О₃ знаходиться нижче лінії, яка з'єднує осі О₂ і О₄. Для вмикання автомата рукоятку 11 повертають за годинниковою стрілкою або вмикають електромагніт 12.

Оскільки упор 14 не дозволяє важелям 13 і 15 скластися навколо осі О₃, то вони працюють як один жорсткий важіль і повертають рухомий контакт на осі О₅, розтягуючи пружину 16 і замикаючи контакти 1 і 3.

Вимикання апарата відбувається при повертанні рукоятки 11 привода проти годинникової стрілки або при спрацюванні одного із розчіплювачів: теплового 5, максимального електромагнітного 6, мінімальної напруги 7 або незалежного 8. Розчіплювачі діють на штовхач механізму 9, який зламує складений важіль 13 і 15.

Рукоятка 11 і траверса рухомого контакту 10 роз'єднуються і під дією пружини 16 контакти розмикаються з необхідною швидкістю. Для повторного вмикання апарата після автоматичного спрацювання потрібно рукоятку 11 повернути проти годинникової стрілки для складання важелів 13 і 15 у попереднє положення, щоб вісь О₃ знову стала нижче лінії О₂ – О₄.

Головними параметрами автоматичних вимикачів є номінальна напруга і номінальний струм апарата, номінальний струм максимальних розчіплювачів струму, кратність струму спрацювання електромагнітних розчіплювачів, номінальна напруга розчіплювача мінімальної на-пруги, рід струму і номінальна напруга незалежного розчіплювача, граничний струм вимикання, власний і повний час вимикання.

Автоматичні вимикачі для захисту електродвигунів вибирають так, щоб вони задовольняли вимогам двигунів і умовам експлуатації. Номінальна напруга автомата U_а.ном повинна бути не меншою напруги мережі U_м.ном, в якій він буде працювати:

U_а.ном ≥ U_м.ном, (2.18)

а номінальний струм головного кола вимикача І_а.ном та номінальний струм його теплових і електромагнітних розчіплювачів І_р.ном повинні бути не меншими від номінального струму двигуна І_дв.ном:

І_а.ном. ≥ І_дв.ном; І_р.ном. ≥ І_дв.ном. (2.19)

При захисті групи електродвигунів номінальний струм розчіплювачів автомата повинен бути не меншим суми номінальних струмів двигунів:

. (2.20)

Крім того, автоматичний вимикач вибирається за конструктивними ознаками, за ступенем захисту від впливу навколишнього середовища та за стійкістю проти комутаційних спрацювань.

Вибраний апарат перевіряють на неспрацювання при пуску асинхронних електродвигунів:

а) при захисту одного двигуна:

І_у.емр = К_відс · І_р.ном ≥ К_з · К_р.р · К_р.п.с · К_i · І_дв.ном, (2.21)

б) при захисті групи двигунів перевірка виконується для найважчих умов, коли запускається двигун з найбільшим пусковим струмом, а решта двигунів групи працює з номінальним навантаженням:

І_у.емр = К_відс · І_р.ном ≥ К_з · К_р.р · , (2.22)

де І_у.емр – уставка струму неспрацювання електромагнітного розчіплювача, А;

К_відс – кратність відсічки автоматичного вимикача;

І_р.ном – номінальний струм електромагнітного розчіплювача, А;

К_з – коефіцієнт запасу, який приймають рівним 1,1;

К_р.р – коефіцієнт, що враховує розкид струмів спрацювання електромагнітних розчіплювачів (визначається з технічної характеристики автомата);

К_р.п.с – коефіцієнт розкиду пускового струму двигуна;

К_i – кратність пускового струму двигуна;

І_дв.ном – номінальний струм двигуна, А;

– сума номінальних струмів електродвигунів без струму двигуна, у якого пусковий струм найбільший, А;

К_і.нб і І_{дв.ном.нб} – відповідно номінальний струм і кратність пускового струму двигуна групи, який має найбільший пусковий струм.