.JPG/1280px-AEG_Circuit_breaker_type_ME_800_(1).JPG)
Автоматический выключатель — это устройство электробезопасности, предназначенное для защиты электрической цепи от повреждений, вызванных перегрузкой по току . Его основная функция – прерывание тока для защиты оборудования и предотвращения риска возгорания . В отличие от предохранителя , который срабатывает один раз и затем подлежит замене, автоматический выключатель можно сбросить (вручную или автоматически), чтобы возобновить нормальную работу.
Автоматические выключатели изготавливаются разных размеров: от небольших устройств, защищающих слаботочные цепи или отдельные бытовые приборы, до крупных распределительных устройств , предназначенных для защиты цепей высокого напряжения, питающих целый город. Общая функция автоматического выключателя или предохранителя как автоматического средства отключения питания от неисправной системы часто обозначается сокращенно OCPD (устройство защиты от перегрузки по току).
Ранняя форма автоматического выключателя была описана Томасом Эдисоном в заявке на патент 1879 года, хотя в его коммерческой системе распределения электроэнергии использовались предохранители . [1] Его назначением была защита проводки осветительных цепей от случайных коротких замыканий и перегрузок. Современный миниатюрный автоматический выключатель, аналогичный тем, которые используются сейчас, был запатентован компанией Brown, Boveri & Cie в 1924 году. Хьюго Стоц, инженер, который продал свою компанию BBC , был указан как изобретатель в DRP ( Deutsches Reichspatent ) 458392. [ 2] Изобретение Стоца было предшественником современного термомагнитного выключателя, который и по сей день широко используется в бытовых центрах нагрузки.
Соединение нескольких генераторных источников в электрическую сеть потребовало разработки автоматических выключателей с повышенными номиналами напряжения и повышенной способностью безопасно прерывать растущие токи короткого замыкания, создаваемые сетями. Простые ручные выключатели с воздушным разрывом создавали опасные дуги при отключении высокого напряжения; они уступили место масляным контактам и различным формам, использующим направленный поток сжатого воздуха или масла под давлением для охлаждения и прерывания дуги. К 1935 году специально сконструированные автоматические выключатели, использованные в проекте плотины Боулдер , использовали восемь последовательных разрывов и поток масла под давлением для прерывания неисправностей мощностью до 2500 МВА в трех циклах частоты сети переменного тока. [3]
Все системы автоматических выключателей имеют общие особенности в своей работе, однако детали существенно различаются в зависимости от класса напряжения, номинального тока и типа автоматического выключателя.
Автоматический выключатель должен сначала обнаружить состояние неисправности. В небольших сетевых и низковольтных выключателях это обычно делается внутри самого устройства. Обычно используют нагревательное или магнитное воздействие электрического тока. Автоматические выключатели на большие токи или высокие напряжения обычно оснащаются пилотными устройствами защитного реле , которые определяют состояние неисправности и приводят в действие механизм отключения. Обычно для них требуется отдельный источник питания, например батарея , хотя некоторые высоковольтные выключатели имеют автономные трансформаторы тока , защитные реле и внутренний источник питания управления.
При обнаружении неисправности контакты выключателя должны размыкаться, чтобы разорвать цепь; Обычно это делается с использованием механически накопленной энергии, содержащейся внутри выключателя, например, пружины или сжатого воздуха для разделения контактов. Автоматические выключатели также могут использовать более высокий ток, вызванный неисправностью, для разъединения контактов, например, из-за теплового расширения или магнитного поля. Небольшие автоматические выключатели обычно имеют рычаг ручного управления для отключения нагрузки или сброса сработавшего выключателя, тогда как в более крупных устройствах используются соленоиды для отключения механизма и электродвигатели для восстановления энергии пружин.
Контакты выключателя должны проводить ток нагрузки без чрезмерного нагрева, а также должны выдерживать нагрев дуги, образующейся при разрыве (размыкании) цепи. Контакты изготавливаются из меди или медных сплавов, сплавов серебра и других материалов с высокой проводимостью. Срок службы контактов ограничен эрозией контактного материала из-за образования дуги при отключении тока. Миниатюрные и автоматические выключатели в литом корпусе обычно выбрасывают при износе контактов, однако силовые выключатели и высоковольтные выключатели имеют сменные контакты.
При прерывании высокого тока или напряжения возникает дуга . Длина дуги обычно пропорциональна напряжению, а интенсивность (или тепло) пропорциональна току. Эту дугу необходимо сдерживать, охлаждать и гасить контролируемым образом, чтобы зазор между контактами снова мог выдерживать напряжение в цепи. В различных автоматических выключателях в качестве среды, в которой образуется дуга, используется вакуум , воздух, изолирующий газ или масло . Для гашения дуги используются различные методы, в том числе:
Наконец, как только состояние неисправности устранено, контакты должны снова замкнуться, чтобы восстановить питание прерванной цепи.
В низковольтных миниатюрных автоматических выключателях ( MCB ) для гашения дуги используется только воздух. Эти автоматические выключатели содержат так называемые дугогасительные камеры — стопку взаимно изолированных параллельных металлических пластин, которые разделяют и охлаждают дугу. Разделяя дугу на более мелкие дуги, дуга охлаждается, а напряжение дуги увеличивается и служит дополнительным сопротивлением , ограничивающим ток через автоматический выключатель. Токоведущие части вблизи контактов обеспечивают легкое отклонение дуги в дугогасительную камеру под действием магнитной силы пути тока, хотя магнитные катушки или постоянные магниты также могут отклонять дугу в дугогасительную камеру (используются в автоматических выключателях для более высоких нагрузок). рейтинги). Количество пластин в дугогасительной камере зависит от стойкости к короткому замыканию и номинального напряжения автоматического выключателя.
Масляные выключатели больших номиналов полагаются на испарение части масла, чтобы продуть струю масла через дугу. [4]
Газовые выключатели (обычно гексафторид серы ) иногда растягивают дугу с помощью магнитного поля, а затем полагаются на диэлектрическую прочность гексафторида серы (SF 6 ) для гашения растянутой дуги.
Вакуумные автоматические выключатели имеют минимальное искрение (поскольку нечего ионизировать, кроме материала контактов). Дуга гаснет при очень небольшом растяжении (менее 2–3 мм (0,08–0,1 дюйма)). Вакуумные выключатели часто используются в современных распределительных устройствах среднего напряжения до 38 000 вольт.
Воздушные автоматические выключатели могут использовать сжатый воздух для гашения дуги или, альтернативно, контакты быстро перемещаются в небольшую герметичную камеру, при этом вытесненный воздух выходит, таким образом, гасит дугу.
Автоматические выключатели обычно способны очень быстро отключить весь ток: обычно дуга гаснет через 30–150 мс после срабатывания механизма, в зависимости от возраста и конструкции устройства. Максимальное значение тока и пропускаемая энергия определяют качество автоматических выключателей.
Автоматические выключатели оцениваются как по нормальному току, который они должны выдерживать, так и по максимальному току короткого замыкания, который они могут безопасно отключить. Последняя цифра представляет собой отключающую способность выключателя в амперах ( AIC ).
В условиях короткого замыкания расчетный или измеренный максимальный ожидаемый ток короткого замыкания может во много раз превышать нормальный номинальный ток цепи. Когда электрические контакты размыкаются, чтобы прервать большой ток, существует тенденция к образованию дуги между разомкнутыми контактами, что позволяет току продолжаться. В этом состоянии могут возникнуть проводящие ионизированные газы, а также расплавленный или испаренный металл, что может привести к дальнейшему продолжению дуги или созданию дополнительных коротких замыканий, что потенциально может привести к взрыву автоматического выключателя и оборудования, в котором он установлен. Автоматические выключатели должны иметь различные функции для разделения и гашения дуги.
Максимальный ток короткого замыкания, который может отключить выключатель, определяется испытаниями. Применение выключателя в цепи с предполагаемым током короткого замыкания, превышающим номинальную отключающую способность выключателя, может привести к тому, что выключатель не сможет безопасно отключить короткое замыкание. В худшем случае автоматический выключатель может успешно прервать замыкание, но взорвется при сбросе.
Типичные бытовые щитовые выключатели рассчитаны на прерывание6 кА (6000 А ) ток короткого замыкания.
Миниатюрные автоматические выключатели, используемые для защиты цепей управления или небольших приборов, могут не иметь достаточной отключающей способности для использования на щитке управления; Эти автоматические выключатели называются «дополнительными устройствами защиты», чтобы отличить их от автоматических выключателей распределительного типа.
Автоматические выключатели производятся стандартных размеров с использованием системы предпочтительных номеров для охвата диапазона номиналов. Миниатюрные автоматические выключатели имеют фиксированную настройку срабатывания; изменение значения рабочего тока требует замены всего автоматического выключателя. Автоматические выключатели большего размера могут иметь регулируемые настройки срабатывания, что позволяет применять стандартизированные элементы, но с настройкой, предназначенной для улучшения защиты. Например, автоматический выключатель с типоразмером 400 ампер может иметь настройку обнаружения перегрузки по току только при токе 300 ампер, чтобы защитить фидерный кабель.
Для распределительных выключателей низкого напряжения международные стандарты IEC 60898-1 определяют номинальный ток как максимальный ток, который выключатель рассчитан на непрерывную работу. Обычно доступные предпочтительные значения номинального тока: 1 А, 2 А, 4 А, 6 А, 10 А, 13 А, 16 А, 20 А, 25 А, 32 А, 40 А, 50 А, 63 А, 80 А. A, 100 A, [5] и 125 A. На маркировке автоматического выключателя указан номинальный ток в амперах , перед которым стоит буква, обозначающая мгновенный ток срабатывания , который вызывает срабатывание автоматического выключателя без преднамеренной задержки по времени, выраженный в кратных значениям тока срабатывания. номинальный ток:
Автоматические выключатели также оцениваются по максимальному току повреждения, который они могут отключить; это позволяет использовать более экономичные устройства в системах, которые вряд ли будут развивать высокий ток короткого замыкания, например, в распределительной системе крупного коммерческого здания.
В Соединенных Штатах Underwriters Laboratories (UL) сертифицирует рейтинги оборудования, называемые рейтингами серий (или «классами интегрированного оборудования»), для автоматических выключателей, используемых в зданиях. Силовые автоматические выключатели, а также автоматические выключатели среднего и высокого напряжения, используемые в промышленных или электроэнергетических системах, разработаны и протестированы в соответствии со стандартами ANSI или IEEE серии C37. Например, в стандарте C37.16 указаны предпочтительные номинальные токи типоразмера для силовых выключателей в диапазоне от 600 до 5000 ампер. Настройки тока отключения и время-токовые характеристики этих выключателей обычно регулируются.
Для автоматических выключателей среднего и высокого напряжения, используемых в распределительных устройствах , подстанциях и электростанциях, обычно производится относительно небольшое количество стандартных типоразмеров. Эти автоматические выключатели обычно управляются отдельными системами релейной защиты , предлагая регулируемые настройки тока и времени отключения, а также позволяя использовать более сложные схемы защиты.
Можно составить множество классификаций автоматических выключателей на основе их характеристик, таких как класс напряжения, тип конструкции, тип прерывания и конструктивные особенности.
Типы с низким напряжением (менее 1000 В переменного тока ) широко распространены в домашнем, коммерческом и промышленном применении и включают:
Характеристики низковольтных выключателей даны международными стандартами, такими как IEC 947. Эти выключатели часто устанавливаются в выдвижных шкафах, которые позволяют снимать и менять местами без демонтажа распределительного устройства.
Большие низковольтные литые корпуса и силовые выключатели могут иметь приводы с электродвигателями, поэтому они могут открываться и закрываться под дистанционным управлением. Они могут быть частью системы автоматического включения резерва для резервного питания.
Низковольтные автоматические выключатели также предназначены для применения в системах постоянного тока (DC), например, для линий метрополитена. Для постоянного тока требуются специальные прерыватели, поскольку дуга непрерывна — в отличие от дуги переменного тока, которая имеет тенденцию гаснуть в каждом полупериоде, автоматический выключатель постоянного тока имеет перегорающие катушки, которые генерируют магнитное поле, которое быстро растягивает дугу. Малые автоматические выключатели либо устанавливаются непосредственно в оборудовании, либо располагаются в панели выключателя .
Миниатюрный термомагнитный автоматический выключатель, монтируемый на DIN-рейку , является наиболее распространенным типом в современных бытовых потребительских устройствах и коммерческих распределительных щитах по всей Европе . В конструкцию входят следующие компоненты:
Твердотельные автоматические выключатели , также известные как цифровые автоматические выключатели, представляют собой технологическую инновацию, которая обещает вывести технологию автоматических выключателей с механического уровня на электрический. Это обещает несколько преимуществ, таких как размыкание цепи за доли микросекунды, лучший контроль нагрузки цепи и более длительный срок службы. [6]
В магнитных выключателях используется соленоид ( электромагнит ), тяговая сила которого увеличивается с ростом тока . В некоторых конструкциях помимо сил соленоида используются электромагнитные силы. Контакты выключателя удерживаются в закрытом состоянии защелкой. Когда ток в соленоиде превышает номинал автоматического выключателя, натяжение соленоида освобождает защелку, что позволяет контактам размыкаться под действием пружины. Это наиболее часто используемые автоматические выключатели в США.
Термомагнитные выключатели , которые используются в большинстве распределительных щитов в Европе и странах с аналогичной разводкой, сочетают в себе оба метода: электромагнит мгновенно реагирует на большие скачки тока (короткие замыкания), а биметаллическая полоса реагирует на менее экстремальные, но долговременные условия перегрузки по току. Тепловая часть автоматического выключателя обеспечивает функцию временного реагирования, которая быстрее отключает автоматический выключатель при больших перегрузках по току, но позволяет меньшим перегрузкам сохраняться в течение более длительного времени. Это допускает кратковременные всплески тока, например, возникающие при включении двигателя или другой нерезистивной нагрузки. При очень больших перегрузках по току во время короткого замыкания магнитный элемент отключает автоматический выключатель без преднамеренной дополнительной задержки. [7]
В магнитно-гидравлическом выключателе используется электромагнитная катушка, обеспечивающая рабочее усилие для размыкания контактов. Магнитно-гидравлические молоты оснащены функцией гидравлической задержки времени с использованием вязкой жидкости. Пружина удерживает сердечник до тех пор, пока ток не превысит номинальный ток выключателя. Во время перегрузки скорость движения соленоида ограничивается жидкостью. Задержка допускает кратковременные скачки тока, превышающие нормальный рабочий ток, для запуска двигателя, подачи питания на оборудование и т. д. Токи короткого замыкания обеспечивают достаточную силу соленоида для освобождения защелки независимо от положения сердечника, тем самым обходя функцию задержки. Температура окружающей среды влияет на время задержки, но не влияет на номинальный ток магнитного выключателя. [8]
Силовые выключатели большой мощности, применяемые в цепях напряжением более 1000 В, могут включать в себя гидравлические элементы в контактном приводном механизме. Гидравлическая энергия может подаваться насосом или храниться в аккумуляторах. Они представляют собой отдельный тип от масляных выключателей, в которых масло является средой для гашения дуги. [9]
Для обеспечения одновременного отключения нескольких цепей от повреждения любой из них выключатели могут быть выполнены в виде сборной сборки. Это очень распространенное требование для трехфазных систем, где размыкание может быть трех- или четырехполюсным (с твердой нейтралью или с переключаемой нейтралью). Некоторые производители изготавливают комплекты для объединения, позволяющие при необходимости соединять группы однофазных выключателей.
В США, где питание с разделенной фазой является обычным явлением, в ответвленных цепях с более чем одним проводом под напряжением каждый провод под напряжением должен быть защищен полюсом выключателя. Чтобы гарантировать, что все проводники под напряжением будут отключены при отключении любого полюса, необходимо использовать автоматический выключатель «общего отключения». Они могут либо содержать два или три механизма отключения в одном корпусе, либо, в случае небольших выключателей, могут соединять полюса снаружи с помощью рукояток управления. Двухполюсные выключатели общего отключения обычно используются в системах на 120/240 В, где нагрузки на 240 В (включая основные бытовые приборы или дополнительные распределительные щиты) охватывают два провода под напряжением. Трехполюсные выключатели общего отключения обычно используются для подачи трехфазной электроэнергии на большие двигатели или дополнительные распределительные щиты.
Никогда не следует использовать отдельные автоматические выключатели для напряжения и нейтрали, поскольку, если нейтраль отключена, а провод под напряжением остается подключенным, возникает очень опасная ситуация: цепь кажется обесточенной (приборы не работают), но провода остаются под напряжением и некоторые устройства защитного отключения (УЗО) могут не сработать, если кто-то прикоснется к проводу под напряжением (поскольку некоторым УЗО для срабатывания требуется питание). Вот почему, когда необходимо переключение нейтрального провода, следует использовать только общие автоматические выключатели.
Независимый расцепитель выглядит похожим на обычный выключатель, а подвижные приводы «соединены» с обычным механизмом выключателя для совместной работы аналогичным образом, но шунтирующий расцепитель представляет собой соленоид, предназначенный для управления внешним сигналом постоянного напряжения. а не ток, обычно это напряжение местной сети или постоянный ток. Они часто используются для отключения электроэнергии при возникновении события высокого риска, такого как сигнал тревоги о пожаре или наводнении, или другого электрического состояния, например, обнаружения перенапряжения. Шунтирующие расцепители могут устанавливаться пользователем как аксессуар к стандартному выключателю или поставляться как неотъемлемая часть автоматического выключателя.
Автоматические выключатели среднего напряжения на напряжение от 1 до 72 кВ могут быть собраны в распределительные устройства в металлическом корпусе для использования внутри помещений или могут представлять собой отдельные компоненты, установленные снаружи на подстанции . Воздушные выключатели заменили маслонаполненные выключатели для внутреннего применения, но в настоящее время сами заменяются вакуумными выключателями (приблизительно до 40,5 кВ). Как и описанные ниже высоковольтные выключатели, они также управляются токочувствительными защитными реле , работающими через трансформаторы тока . Характеристики выключателей среднего напряжения даны международными стандартами, такими как IEC 62271. В автоматических выключателях среднего напряжения почти всегда используются отдельные датчики тока и защитные реле вместо встроенных тепловых или магнитных датчиков максимального тока.
Выключатели среднего напряжения можно классифицировать по среде, используемой для гашения дуги:
Автоматические выключатели среднего напряжения могут быть включены в цепь посредством болтовых соединений с шинами или проводами, особенно на открытых распределительных устройствах. Автоматические выключатели среднего напряжения в распределительных устройствах часто имеют выдвижную конструкцию, позволяющую снимать выключатель, не нарушая соединений силовой цепи, с использованием механизма с приводом от двигателя или ручного запуска для отделения выключателя от его корпуса.
Сети передачи электроэнергии защищаются и контролируются высоковольтными выключателями. Определение высокого напряжения варьируется, но в соответствии с недавним определением Международной электротехнической комиссии (МЭК) при передаче электроэнергии обычно считается напряжение 72,5 кВ или выше . Высоковольтные выключатели почти всегда управляются соленоидом , а защитные реле , чувствительные к току, работают через трансформаторы тока . На подстанциях схема релейной защиты может быть сложной, защищающей оборудование и шины от различных видов перегрузок или замыканий на землю.
Высоковольтные выключатели широко классифицируются по среде, используемой для гашения дуги:
Из-за экологических и финансовых проблем, связанных с изоляцией разливов нефти, в большинстве новых выключателей для гашения дуги используется газ SF 6 .
Автоматические выключатели можно классифицировать как бак под напряжением , где корпус, содержащий механизм выключателя, находится под потенциалом сети, или как резервный бак с корпусом под потенциалом земли. Обычно доступны высоковольтные автоматические выключатели переменного тока с номиналами до 765 кВ. Выключатели на 1200 кВ были запущены компанией Siemens в ноябре 2011 года, [11] за ней последовала компания ABB в апреле следующего года. [12]
Высоковольтные автоматические выключатели, используемые в системах передачи, могут быть устроены так, чтобы обеспечить срабатывание одного полюса трехфазной линии вместо отключения всех трех полюсов; для некоторых классов неисправностей это повышает стабильность и доступность системы.
По состоянию на 2015 год высоковольтные выключатели постоянного тока все еще остаются предметом исследований. Такие выключатели могут быть полезны для соединения систем передачи высокого напряжения постоянного тока. [13]
В автоматическом выключателе на основе гексафторида серы используются контакты, окруженные газом гексафторида серы, для гашения дуги. Они чаще всего используются для передачи напряжений и могут быть встроены в компактные распределительные устройства с элегазовой изоляцией. В холодном климате для высоковольтных выключателей используется дополнительный нагрев или различные газовые смеси за счет сжижения газа SF 6 . В некоторых северных электросетях в ВВК надувного типа устанавливаются газовые смеси N 2 и SF 6 или CF 4 и SF 6 для гашения дуги без сжижения газа. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4080767. Минимальный температурный диапазон этих моделей составляет всего -50 °C для некоторых северных подстанций.
Разъединительный выключатель (DCB) был представлен в 2000 году [14] и представляет собой высоковольтный выключатель, созданный по образцу элегазового выключателя . Оно представляет собой техническое решение, в котором функция отключения интегрирована в камеру отключения, что устраняет необходимость в отдельных разъединителях. Это повышает эксплуатационную готовность , поскольку главные контакты разъединителя открытого типа требуют обслуживания каждые 2–6 лет, тогда как у современных автоматических выключателей интервал технического обслуживания составляет 15 лет. Внедрение решения DCB также снижает требования к пространству внутри подстанции и повышает надежность за счет отсутствия отдельных разъединителей. [15] [16]
Чтобы еще больше уменьшить необходимое пространство подстанции, а также упростить конструкцию и проектирование подстанции, в DCB можно интегрировать оптоволоконный датчик тока (FOCS). DCB на 420 кВ со встроенным FOCS может сократить занимаемую площадь подстанции более чем на 50% по сравнению с традиционным решением с баковыми выключателями под напряжением с разъединителями и трансформаторами тока за счет меньшего количества материала и отсутствия дополнительной изоляционной среды. [17]
В 2012 году компания АББ представила высоковольтный выключатель на напряжение 75 кВ, в котором в качестве среды для гашения дуги используется углекислый газ. Углекислотный выключатель работает по тем же принципам, что и элегазовый выключатель , а также может быть изготовлен как размыкающий выключатель. Перейдя с SF6 на CO2 , можно сократить выбросы CO2 на 10 тонн в течение жизненного цикла продукта. [18]
Несколько фирм рассмотрели возможность добавления мониторинга приборов с помощью электроники или использования цифрового автоматического выключателя для удаленного мониторинга выключателей. Коммунальные компании в США рассматривают возможность использования этой технологии для включения и выключения бытовой техники, а также потенциального отключения зарядки электромобилей в периоды высокой нагрузки на электросеть. Эти устройства, находящиеся в стадии исследования и тестирования, будут иметь беспроводную возможность контролировать использование электроэнергии в доме с помощью приложения для смартфона или других средств. [19]
Следующие типы описаны в отдельных статьях.
