.JPG/1280px-AEG_Circuit_breaker_type_ME_800_(1).JPG)
Автоматический выключатель — это электротехническое защитное устройство, предназначенное для защиты электрической цепи от повреждений, вызванных током, превышающим тот, который оборудование может безопасно выдерживать ( перегрузка по току ). Его основная функция — прерывание тока для защиты оборудования и предотвращения возгорания . В отличие от предохранителя , который срабатывает один раз, а затем его необходимо заменить, автоматический выключатель можно сбросить (вручную или автоматически) для возобновления нормальной работы.
Автоматические выключатели обычно устанавливаются в распределительных щитах . Помимо своей функции безопасности, автоматический выключатель также часто используется в качестве главного выключателя для ручного отключения («вынимания») и подключения («внимания») электропитания ко всей электрической подсети. [1]
Автоматические выключатели изготавливаются с различными номиналами тока, от устройств, которые защищают слаботочные цепи или отдельные бытовые приборы, до распределительных устройств, предназначенных для защиты высоковольтных цепей, питающих целый город. Любое устройство, которое защищает от чрезмерного тока, автоматически отключая питание от неисправной системы, например, автоматический выключатель или предохранитель , можно назвать устройством защиты от сверхтока ( OCPD ).
Ранняя форма автоматического выключателя была описана Томасом Эдисоном в патентной заявке 1879 года, хотя его коммерческая система распределения электроэнергии использовала предохранители . [2] Его целью была защита проводки осветительной цепи от случайных коротких замыканий и перегрузок. Современный миниатюрный автоматический выключатель, аналогичный тем, что используются сейчас, был запатентован Brown, Boveri & Cie в 1924 году. Хуго Штотц, инженер, который продал свою компанию Brown, Boveri & Cie, был указан как изобретатель в немецком патенте 458392. [3] Изобретение Штотца было предшественником современного термомагнитного выключателя, который обычно используется в домашних центрах нагрузки по сей день.
Взаимосвязь нескольких источников генераторов в электрическую сеть потребовала разработки автоматических выключателей с более высокими номинальными напряжениями и повышенной способностью безопасно прерывать растущие токи короткого замыкания, производимые сетями. Простые ручные воздушные выключатели создавали опасные дуги при прерывании высоковольтных цепей; они уступили место масляным контактам и различным формам, использующим направленный поток сжатого воздуха или сжатого масла для охлаждения и прерывания дуги. К 1935 году специально сконструированные автоматические выключатели, используемые в проекте плотины Боулдер, использовали восемь последовательных разрывов и поток сжатого масла для прерывания неисправностей до 2500 МВА в трех циклах переменного тока. [4]
Все системы автоматических выключателей имеют общие черты в работе, но 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 автоматических выключателях это обычно делается внутри самого устройства. Обычно используются нагревательные или магнитные эффекты электрического тока. Автоматические выключатели для больших токов или высоких напряжений обычно оснащаются контрольными устройствами защитного реле для обнаружения состояния неисправности и управления механизмом размыкания. Обычно для них требуется отдельный источник питания, такой как батарея , хотя некоторые высоковольтные автоматические выключатели являются автономными с трансформаторами тока , защитными реле и внутренними источниками питания.
После обнаружения неисправности контакты выключателя должны разомкнуться, чтобы прервать цепь; обычно это делается с использованием механически сохраненной энергии, содержащейся в выключателе, например, пружины или сжатого воздуха, для разделения контактов. Выключатель также может использовать более высокий ток, вызванный неисправностью, для разделения контактов посредством теплового расширения или увеличенного магнитного поля. Небольшие выключатели обычно имеют ручной рычаг управления для отключения цепи или сброса сработавшего выключателя, в то время как более крупный блок может использовать соленоид для отключения механизма и электродвигатель для восстановления энергии пружин (которые быстро разделяют контакты при срабатывании выключателя).
Контакты выключателя должны проводить ток нагрузки без чрезмерного нагрева, а также выдерживать тепло дуги, возникающей при прерывании (размыкании) цепи. Контакты изготавливаются из меди или медных сплавов, серебряных сплавов и других высокопроводящих материалов. Срок службы контактов ограничен эрозией материала контактов из-за дугообразования при прерывании тока. Миниатюрные и литые автоматические выключатели обычно выбрасываются, когда контакты изнашиваются, но силовые автоматические выключатели и высоковольтные автоматические выключатели имеют сменные контакты.
При прерывании высокого тока или напряжения образуется дуга . Максимальная длина дуги обычно пропорциональна напряжению, в то время как интенсивность (или тепло) пропорциональна току. Эту дугу необходимо удерживать, охлаждать и гасить контролируемым образом, чтобы зазор между контактами снова мог выдерживать напряжение в цепи. Различные автоматические выключатели используют вакуум , воздух, изолирующий газ или масло в качестве среды, в которой образуется дуга. Для гашения дуги используются различные методы, в том числе:
Наконец, после устранения неисправности контакты необходимо снова замкнуть, чтобы восстановить подачу питания в прерванную цепь.
Низковольтные миниатюрные автоматические выключатели ( MCB ) используют только воздух для гашения дуги. 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, в то время как напряжение дуги увеличивается и служит дополнительным сопротивлением , ограничивающим ток через автоматический выключатель. Токопроводящие части вблизи контактов обеспечивают легкое отклонение дуги в дугогасительные камеры магнитной силой пути тока, хотя магнитные дугогасительные катушки или постоянные магниты также могут отклонять дугу в дугогасительную камеру (используется в автоматических выключателях для более высоких номиналов). Количество пластин в дугогасительной камере зависит от номинала короткого замыкания и номинального напряжения автоматического выключателя.
В более мощных масляных выключателях используется испарение части масла для подачи струи масла через дугу. [5]
Газовые (обычно на основе гексафторида серы ) выключатели иногда растягивают дугу с помощью магнитного поля, а затем полагаются на диэлектрическую прочность гексафторида серы (SF6 ) для гашения растянутой дуги.
Вакуумные выключатели имеют минимальное искрение (так как нет ничего, что можно было бы ионизировать, кроме материала контакта). Дуга гаснет, когда она растягивается на очень небольшое расстояние (менее 3 мм (0,1 дюйма)). Вакуумные выключатели часто используются в современных распределительных устройствах среднего напряжения для38 000 вольт .
Воздушные выключатели могут использовать сжатый воздух для гашения дуги, или, в качестве альтернативы, контакты быстро перемещаются в небольшую герметичную камеру, и вытесненный воздух, таким образом, гасит дугу.
Автоматические выключатели обычно способны очень быстро отключать 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 — это отключающая способность ( AIC ) выключателя.
В условиях короткого замыкания рассчитанный или измеренный максимальный ожидаемый ток короткого замыкания может во много раз превышать нормальный номинальный ток цепи. Когда электрические контакты размыкаются для прерывания большого тока, существует тенденция к образованию дуги между разомкнутыми контактами, что позволит току продолжаться. Это состояние может создавать проводящие ионизированные газы и расплавленный или испаренный металл, которые могут вызвать дальнейшее продолжение дуги или создать дополнительные короткие замыкания, потенциально приводящие к взрыву выключателя и оборудования, в котором он установлен. Поэтому выключатели включают в себя различные функции для разделения и гашения дуг.
Максимальный ток короткого замыкания, который может отключить выключатель, определяется путем испытаний. Применение выключателя в цепи с предполагаемым током короткого замыкания, превышающим номинальную отключающую способность выключателя, может привести к тому, что выключатель не сможет безопасно отключить неисправность. В худшем случае выключатель может успешно отключить неисправность, но взорвется при сбросе.
Типичные автоматические выключатели для бытовых панелей рассчитаны на отключение6 кА (6000 А ) ток короткого замыкания.
Миниатюрные автоматические выключатели, используемые для защиты цепей управления или небольших приборов, могут не обладать достаточной отключающей способностью для использования на распределительном щите; такие автоматические выключатели называются «дополнительными защитными устройствами», чтобы отличать их от автоматических выключателей распределительного типа.
Автоматические выключатели производятся со стандартными номиналами, используя систему предпочтительных чисел для создания полезного выбора номиналов. Миниатюрный автоматический выключатель имеет фиксированную настройку отключения; изменение значения рабочего тока требует замены всего автоматического выключателя. Автоматические выключатели с более высокими номиналами могут иметь регулируемые настройки отключения, что позволяет использовать меньше стандартизированных изделий, настроенных на применимые точные номиналы при установке. Например, автоматический выключатель с размером рамы 400 ампер может иметь порог обнаружения перегрузки по току, установленный только на 300 ампер, где этот номинал подходит.
Для низковольтных распределительных выключателей международный стандарт IEC 60898-1 определяет номинальный ток как максимальный ток, который выключатель рассчитан выдерживать непрерывно. Общедоступные 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, 100 А, [6] и 125 А. Выключатель маркируется номинальным током в амперах с префиксом в виде буквы, которая указывает на мгновенный ток отключения , который заставляет выключатель срабатывать без преднамеренной задержки времени, выраженный в кратных номинального тока:
Автоматические выключатели также классифицируются по максимальному току короткого замыкания, который они могут отключить; это позволяет использовать более экономичные устройства в системах, в которых вряд ли возникнет высокий ток короткого замыкания, характерный, например, для распределительной системы крупного коммерческого здания.
В Соединенных Штатах Underwriters Laboratories (UL) сертифицирует номинальные характеристики оборудования, называемые серийными номинальными характеристиками (или «интегрированными номинальными характеристиками оборудования») для оборудования выключателей, используемых в зданиях. Силовые выключатели и выключатели среднего и высокого напряжения, используемые в промышленных или электроэнергетических системах, проектируются и испытываются в соответствии со стандартами ANSI или IEEE в серии C37. Например, стандарт C37.16 перечисляет предпочтительные номинальные характеристики тока для силовых выключателей в диапазоне от 600 до 5000 ампер. Настройки тока срабатывания и время-токовые характеристики этих выключателей, как правило, регулируются.
Для средне- и высоковольтных выключателей, используемых в распределительных устройствах , подстанциях и генераторных станциях, обычно изготавливается относительно немного стандартных размеров рам. Эти выключатели обычно управляются отдельными системами защитных реле , 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 отключения и структурные особенности.
Низковольтные (менее 1000 В переменного тока ) типы широко распространены в бытовых, коммерческих и промышленных целях и включают в себя:
Характеристики низковольтных выключателей определяются международными стандартами, такими как МЭК 947. Эти выключатели часто устанавливаются в выкатных корпусах, которые позволяют производить их снятие и замену без демонтажа распределительного устройства.
Большие низковольтные литые корпуса и силовые выключатели могут иметь электродвигатели, чтобы они могли открываться и закрываться под дистанционным управлением. Они могут быть частью системы автоматического переключения резервного питания.
Низковольтные выключатели также изготавливаются для постоянного тока (DC), например, для линий метрополитена. Постоянный ток требует специальных выключателей, поскольку дуга непрерывна — в отличие от дуги переменного тока, которая имеет тенденцию гаснуть в каждом полупериоде, выключатель постоянного тока имеет дугогасительную катушку, которая генерирует магнитное поле, которое быстро растягивает дугу. Небольшие выключатели устанавливаются либо непосредственно в оборудовании, либо располагаются в панелях выключателей .
Термомагнитный миниатюрный автоматический выключатель, монтируемый на DIN-рейку, является наиболее распространенным типом в современных бытовых потребительских блоках и коммерческих распределительных щитах по всей Европе . Конструкция включает в себя следующие компоненты:
Твердотельные выключатели (SSCB), также известные как цифровые выключатели, являются технологической инновацией, которая обещает продвинуть технологию выключателей с механического уровня на электрический. Это обещает несколько преимуществ, таких как гораздо более быстрое срабатывание (размыкание цепей за доли микросекунд), лучший контроль нагрузок цепей и более длительный срок службы. [7] Твердотельные выключатели были разработаны для питания постоянного тока среднего напряжения и могут использовать транзисторы из карбида кремния или интегрированные тиристоры с коммутацией затвора (IGCT) для переключения. [8] [9] [10]
Магнитный выключатель использует соленоид ( электромагнит ), тяговое усилие которого увеличивается с током . Некоторые конструкции используют электромагнитные силы в дополнение к силам соленоида. Контакты выключателя удерживаются замкнутыми защелкой . Когда ток в соленоиде превышает номинал выключателя, тяговое усилие соленоида освобождает защелку, что позволяет контактам размыкаться под действием пружины. Это наиболее часто используемые выключатели в Соединенных Штатах.
Термомагнитный автоматический выключатель, который является типом, встречающимся в большинстве распределительных щитов в Европе и странах с похожей схемой электропроводки, объединяет обе технологии: электромагнит мгновенно реагирует на большие скачки тока (например, короткие замыкания), а биметаллическая полоса реагирует на меньшие, но более длительные условия перегрузки по току. Тепловая часть автоматического выключателя обеспечивает функцию времени отклика, которая отключает автоматический выключатель раньше при больших перегрузках по току, но позволяет меньшим перегрузкам сохраняться в течение более длительного времени. Это допускает короткие скачки тока, такие как при включении двигателя или другой нерезистивной нагрузки. При очень большом перегрузке по току, например, вызванной коротким замыканием, магнитный элемент отключает автоматический выключатель без преднамеренной дополнительной задержки. [11]
Магнитно -гидравлический выключатель использует соленоидную катушку для обеспечения рабочего усилия для размыкания контактов. Магнитно-гидравлический выключатель включает в себя гидравлическую функцию 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 за пределами нормального рабочего тока для запуска двигателя, питания оборудования и т. д. Токи короткого замыкания обеспечивают достаточную силу соленоида для освобождения защелки независимо от положения сердечника, таким образом обходя функцию задержки. Температура окружающей среды влияет на временную задержку, но не влияет на номинальный ток магнитного выключателя. [12]
Большой силовой выключатель, например, применяемый в цепях более 1000 вольт, может включать гидравлические элементы в контактном рабочем механизме. Гидравлическая энергия может подаваться насосом или храниться в аккумуляторах. Они образуют отдельный тип от масляных выключателей, где масло является средой гашения дуги. [13]
Чтобы обеспечить одновременное отключение нескольких цепей при неисправности любой из них, автоматические выключатели могут быть выполнены в виде сборной сборки. Это очень распространенное требование для трехфазных систем, где отключение может быть как трех-, так и четырехполюсным (сплошная или коммутируемая нейтраль). Некоторые производители изготавливают наборы для объединения, позволяющие объединять группы однофазных выключателей по мере необходимости.
В США, где распространены расщепленные фазы питания, в ответвлении цепи с более чем одним проводником под напряжением каждый проводник под напряжением должен быть защищен полюсом выключателя. Чтобы гарантировать, что все проводники под напряжением будут отключены при отключении любого полюса, необходимо использовать набор выключателей с общим отключением . Они могут содержать два или три механизма отключения в одном корпусе или, для небольших выключателей, иметь выключатели, соединенные снаружи вместе с помощью их рабочих рукояток. Двухполюсные выключатели с общим отключением распространены в системах 120/240 В, где нагрузки 240 В (включая основные приборы или дополнительные распределительные щиты) охватывают два провода под напряжением. Трехполюсные выключатели с общим отключением обычно используются для подачи трехфазного питания на мощные двигатели или дополнительные распределительные щиты.
Никогда не следует использовать отдельные автоматические выключатели для фазного и нейтрального проводов, поскольку если нейтраль отсоединяется, а фазный проводник остается подключенным, возникает очень опасное состояние: цепь кажется обесточенной (приборы не работают), но провода остаются под напряжением, и некоторые устройства защитного отключения (УЗО) могут не сработать, если кто-то коснется фазного провода (поскольку некоторым УЗО требуется питание для срабатывания). Вот почему при необходимости переключения нейтрального провода следует использовать только автоматические выключатели с общим расцеплением.
Шунтовый расцепитель выглядит как обычный выключатель, а подвижные приводы соединены с обычным механизмом выключателя для совместной работы аналогичным образом, но шунтовый расцепитель — это соленоид, предназначенный для управления внешним сигналом постоянного напряжения, а не током, обычно напряжением местной сети или постоянным током. Они часто используются для отключения питания при возникновении события с высоким риском, например, пожарной или наводнительной сигнализации или другого электрического состояния, например, обнаружения перенапряжения. Шунтовые расцепители могут быть устанавливаемым пользователем аксессуаром для стандартного выключателя или поставляться как неотъемлемая часть автоматического выключателя.
Средневольтные выключатели с номиналом от 1 до 72 кВ могут быть собраны в линейки распределительных устройств в металлическом корпусе для использования внутри помещений или могут быть отдельными компонентами, установленными на открытом воздухе на подстанции . Воздушные выключатели заменили масляные блоки для использования внутри помещений, но теперь сами заменяются вакуумными выключателями (примерно до 40,5 кВ). Как и высоковольтные выключатели, описанные ниже, они также управляются защитными реле, чувствительными к току , которые работают через трансформаторы тока . Характеристики выключателей среднего напряжения приведены в международных стандартах, таких как IEC 62271. Средневольтные выключатели почти всегда используют отдельные датчики тока и защитные реле вместо встроенных тепловых или магнитных датчиков максимального тока.
Автоматические выключатели среднего напряжения можно классифицировать по среде, используемой для гашения дуги:
Выключатели среднего напряжения могут быть подключены к цепи с помощью болтовых соединений к шинам или проводам, особенно в наружных распределительных устройствах. Выключатели среднего напряжения в распределительных устройствах часто имеют выдвижную конструкцию, что позволяет извлекать выключатель, не нарушая соединений силовой цепи, используя механизм с электроприводом или ручным приводом для отделения выключателя от его корпуса.
Сети электропередачи защищены и контролируются высоковольтными выключателями. Определение высокого напряжения различается, но в работе по передаче электроэнергии обычно считается 72,5 кВ или выше, согласно недавнему определению Международной электротехнической комиссии (МЭК). Высоковольтные выключатели почти всегда управляются соленоидом , с защитными реле, чувствительными к току, работающими через трансформаторы тока . На подстанциях схема защитного реле может быть сложной, защищая оборудование и шины от различных типов перегрузки или замыкания на землю.
Высоковольтные выключатели широко классифицируются по среде, используемой для гашения дуги:
Из-за проблем с экологией и затратами на изоляционные разливы масла в большинстве новых выключателей для гашения дуги используется газ SF6 .
Автоматические выключатели можно классифицировать как « живые баки» , где корпус, содержащий механизм отключения, находится под потенциалом линии, или « мертвые баки» , где корпус находится под потенциалом земли. Высоковольтные автоматические выключатели переменного тока обычно доступны с номиналами до 765 кВ. Автоматические выключатели на 1200 кВ были выпущены компанией Siemens в ноябре 2011 года [15] , а затем ABB в апреле следующего года [16] .
Высоковольтные выключатели, используемые в системах передачи, могут быть настроены таким образом, чтобы обеспечить отключение одного полюса трехфазной линии вместо отключения всех трех полюсов; для некоторых классов неисправностей это повышает стабильность и доступность системы.
Высоковольтные выключатели постоянного тока по состоянию на 2015 год все еще являются областью исследований. Такие выключатели были бы полезны для соединения систем передачи HVDC. [17]
В выключателе с гексафторидом серы для гашения дуги используются контакты, окруженные газом гексафторидом серы. Чаще всего они используются для напряжений уровня передачи и могут быть включены в компактные распределительные устройства с газовой изоляцией. В холодном климате для высоковольтных выключателей используются дополнительный подогрев или различные газовые смеси из-за сжижения газа SF6 . В некоторых северных электросетях газовые смеси N2 и SF6 или CF4 и SF6 устанавливаются в выключателях HVCB компрессионного типа для гашения дуги без сжижения газа. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4080767. Минимальные температурные номиналы этих моделей составляют всего -50 °C для некоторых северных подстанций.
Разъединительный выключатель (DCB) был представлен в 2000 году [18] и является высоковольтным выключателем, смоделированным по образцу выключателя SF 6 . Он представляет собой техническое решение, в котором функция разъединения интегрирована в камеру отключения, что устраняет необходимость в отдельных разъединителях. Это увеличивает доступность , поскольку основные контакты разъединителя открытого типа требуют обслуживания каждые 2–6 лет, в то время как современные выключатели имеют интервалы обслуживания 15 лет. Внедрение решения DCB также снижает требования к пространству внутри подстанции и повышает надежность из -за отсутствия отдельных разъединителей. [19] [20]
Для дальнейшего сокращения необходимого пространства подстанции, а также упрощения конструкции и проектирования подстанции, волоконно-оптический датчик тока (FOCS) может быть интегрирован с DCB. 420 кВ DCB с интегрированным FOCS может уменьшить площадь подстанции более чем на 50% по сравнению с традиционным решением с колонковыми выключателями с разъединителями и трансформаторами тока , благодаря уменьшению материала и отсутствию дополнительной изоляционной среды. [21]
В 2012 году компания ABB представила высоковольтный выключатель на 75 кВ, который использует углекислый газ в качестве среды для гашения дуги. Углекислотный выключатель работает по тем же принципам, что и выключатель SF6 , и может быть также изготовлен как разъединяющий выключатель. Переходя с SF6 на CO2 , можно сократить выбросы CO2 на 10 тонн в течение жизненного цикла продукта. [22]
Несколько фирм рассматривали возможность добавления мониторинга для приборов с помощью электроники или использования цифрового автоматического выключателя для удаленного мониторинга выключателей. Коммунальные компании в Соединенных Штатах рассматривают возможность использования этой технологии для включения и выключения приборов, а также потенциального отключения зарядки электромобилей в периоды высокой нагрузки на электросеть. Эти устройства, находящиеся на стадии исследования и тестирования, будут иметь беспроводную возможность контролировать потребление электроэнергии в доме с помощью приложения для смартфона или других средств. [23]
Следующие типы описаны в отдельных статьях.
