Автоматические выключатели для сети с изолированной нейтралью

Как выбрать автоматический выключатель

Давно уже прошли времена, когда защиту от перегрузок и короткого замыкания в жилых и производственных помещениях обеспечивали плавкие вставки, в обиходе называемые «пробками». Сейчас на смену им пришли т.н. автоматические выключатели. Главным отличием от плавкой вставки является возможность многократного использования и стабильность заданного порогового значения. Но, как известно, ничто не проходит без последствий. И если, в случае применения плавкой вставки, единственным параметром был величина порогового тока, то для автоматических выключателей существует уже несколько характеристик, определяющих их применение. Конечно, профессиональным электрикам эти параметры хорошо известны, и специалисты точно знают, какой из выключателей необходимо выбрать для решения конкретных задач. Но как сделать выбор обычному пользователю? Сразу возникает масса вопросов – что такое категория, или характеристика автоматического выключателя? Можно ли заменять автоматический выключатель с одной категорией на другую?

Сразу оговоримся, что безопасность обеспечивается не столько использованием автоматического выключателя, сколько его правильным выбором. Давайте попробуем разобраться с выбором автоматического выключателя на примере автоматических выключателей производства компании ABB, имеющихся в ассортименте компании «ЧИП и ДИП».

Первое, что бросается в глаза – количество полюсов. Наиболее распространенными являются однополюсные, двухполюсные и трехполюсные выключатели. Если с одно- и трехполюсными все понятно (однополюсные используют в однофазных сетях, трехполюсные – в трехфазных), то где используются двухполюсные выключатели? Они используются в однофазных сетях с изолированной нейтралью (электросеть IT). Схема включения автоматических выключателей изображена на рисунке.

Следующим параметром автоматического выключателя является его категория (характеристика), определяющая назначение выключателя. Наиболее распространенными являются выключатели с характеристиками B, C и D. Данные характеристики определяют, во сколько раз должен увеличиться ток, чтобы автоматический выключатель «сработал» и разъединил электрическую цепь. Ниже приведена таблица по превышению номинального тока в зависимости от категории, и области применения выключателей.

Исходя из характеристик, представленных в таблице, видно, что не стоит заменять выключатели одной категории на выключатели другой. Так, в случае замены выключателя категории B на C, мы увеличиваем величину тока «расцепления» выключателя, что может привести к возгоранию электропроводки, при обратной замене мы можем получить «расцепление» сети при нормальных условиях для данного участка цепи.

Следующим параметром является величина номинального тока. Номинальные токи автоматических выключателей согласовывают с длительно допустимыми (номинальными) токами защищаемых им проводников, а также с номинальными токами другого электрооборудования, например: штепсельных розеток, зажимов, посредством которых соединяют проводники электропроводок, шин распределительных устройств, к которым присоединяют проводники. Номинальный ток автоматического выключателя не должен быть больше номинального тока перечисленного электрооборудования.

И, наконец, еще одним параметром, определяющим выбор автоматического выключателя, является его отключающая способность. В ассортименте компании присутствуют автоматические выключатели ABB с отключающей способностью 4,5kA, 6kA и 25kA. Что касается правильного выбора, то для этого необходимо знать ток короткого замыкания. Очень часто пользователь просто не имеет информации о токе короткого замыкания на объекте. В этом случае можно воспользоваться ГОСТом 32396-2013: «Отключающая способность защитных аппаратов… должна быть не ниже 3kA на номинальные токи до 25А, 6kA – на номинальные токи до 63А и 10kA – на номинальные токи до 125А». Или воспользоваться простым правилом – чем дороже стоимость и значимость объекта, тем выше должна быть отключающая способность.

Для чего нужен двухполюсный автомат

В советское время защита бытовой однофазной электропроводки от короткого замыкания производилась при помощи плавких вставок предохранителей. На смену этим элементам пришли автоматические пробки, сейчас защитные функции выполняют автоматические выключатели.

Демонтаж пробок и установка на это место двух однополюсных автомата возможна без добавления проводов, но допустима ли такая замена или для защиты обязательно необходимо использовать двухполюсный автомат?

Где применяются двухполюсные автоматы

Во многих случаях в однофазной сети использование двухполюсных автоматических выключателей нецелесообразно. Для отключения питания и защиты линии достаточно в разрыв фазного провода установить однополюсный выключатель. Однако есть ситуации, в которых этот прибор не может обеспечить безопасность людей и целостность электропроводки.

Установка двухполюсного выключателя необходима в следующих случаях:

• Вводной автомат в квартире или частном доме. Питание жилых зданий осуществляется по трёхфазной четырёх- или пятипроводной схеме TN-S с заземлённой нейтралью. При обрыве нулевого проводника на участке между зданием и питающим трансформатором или коротком замыкании между нолём и фазой на нейтральном проводе появляется высокое напряжение. В этом случае необходимо отключить электропроводку от сети полностью, а не только фазный провод.
• Для защиты от неправильного подключения. В домах, электропроводка в которых прокладывалась в советское время, использовались двухжильные алюминиевые провода типа АППВ «лапша» или АПРТО «гупер». В этой проводке отсутствует цветовая маркировка, поэтому очень часто ноль и фаза поменяны местами. Дополнительную путаницу вносят сотрудники электрокомпании при замене прибора учёта, подходящая фаза к которому должна подключаться только к определённой клемме, а отходящие провода могут присоединяться произвольно. Установка однополюсного автомата может привести к тому, что будет отключаться только нейтраль и все приборы останутся под напряжением.
• Питание электроприборов по схеме ТТ, с изолированной нейтралью. Такая схема применяется при использовании разделительных трансформаторов или питании потребителей от переносных генераторов или преобразователей напряжения. Из-за отсутствия заземлённой нейтрали все проводники по отношению к контуру заземления являются однозначными, поэтому для защиты от поражения электрическим током при проведении ремонтных работ их необходимо отключать.
• Питание потребителей от двух фаз с нейтралью. Это достаточно редко встречающиеся ситуации, чаще всего такое питание подаётся на электрокотлы и электроплиты для уменьшения сечения подходящих проводов.

Чем двухполюсный автомат отличается от однополюсного

По своей конструкции и принципу действия двухполюсный автоматический выключатель похож на однополюсный, однако у такого аппарата имеются некоторые особенности. Он состоит из двух одинаковых автоматических выключателей и конструкция двухполюсного автомата включает в себя элементы, обеспечивающие одновременное включение, отключение и срабатывание защиты обоих полюсов.

Принцип работы

Принцип действия автоматического выключателя не зависит от числа полюсов, каждый из которых является самостоятельным защитным устройством, внутри которого находятся следующие элементы:

• Электромагнитный расцепитель . Состоит из катушки с подпружиненным сердечником. Основной функцией этого элемента является защита линии от короткого замыкания. При превышении тока, протекающего через автомат, над номинальным, сердечник втягивается и отключает выключатель, отключение происходит мгновенно. Величина тока срабатывания зависит от время-токовой характеристики и превышает номинальный ток в 3-20 раз, в зависимости от типа устройства. Этот параметр обозначается буквами «В», «С» и «D» и указывается перед значением уставки аппарата.
• Тепловой расцепитель . Действующим элементом этого вида защиты является биметаллическая пластинка, состоящая из двух слоёв металла с разным коэффициентом теплового расширения. Ток, протекающий по пластине, нагревает металл, полоска изгибается и отключает защитное устройство. Этот элемент предохраняет кабельные линии от перегрузки и перегрева, отключение происходит с задержкой времени, необходимой для нагрева пластины. Время задержки зависит от величины тока и уменьшается при его росте.

Кроме защитных элементов в конструкцию автомата входят и другие детали:

• Контакты и клеммы. Служат для подключения проводов и коммутации линии.
• Пружинный механизм. Обеспечивает прижатие контактов друг к другу и, при необходимости, мгновенное отключение.
• Пластиковый корпус и ручка включения.

Конструкция двухполюсного автоматического выключателя

Двухполюсный автомат состоит из двух однополюсных выключателей, соединённых в общую конструкцию. Такое соединение выполняется при помощи более длинных заклёпок, чем в обычном автомате. Кроме того, между половинками аппарата имеется специальная пластиковая пластинка, отключающая второй автоматический выключатель при срабатывании первого.

На задней стороне корпуса имеются специальные углубления и защёлки для крепления устройства на DIN-рейку. Для одновременного включения и отключения обоих полюсов ручки включения соединяются вставленной в них проволокой или пластиковой накладкой.

Являются ли два однополюсных автомата и один двухполюсный взаимозаменяемыми

При монтаже или ремонте не всегда есть в наличии необходимые автоматические выключатели, поэтому возникает вопрос — не приведёт ли такая замена к аварии или ложному срабатыванию защиты.

Возможна ли замена двухполюсного автомата парой однополюсных выключателей

Главное, чем двухполюсный автомат отличается от однополюсного, это одновременным включением и отключением полюсов, поэтому такая замена не является равноценной.

Прежде всего, это связано с тем, что при коротком замыкании или перегрузке линии отключится только одно защитное устройство, после чего сила тока в проводах упадёт до ноля и второй автомат останется включённым, причём заранее неизвестно, какой из выключателей отключится.

Это противоречит нормам ПУЭ п.3.1.18, в которых указано, что при срабатывании защиты отключение нулевого провода должно производиться вместе с фазными проводами.

Соединение рукояток однополюсных автоматов перемычкой ситуацию не изменит. В двухполюсном выключателе между отдельными полюсами находится дополнительный элемент, обеспечивающий одновременное отключение защиты.

Такая замена нежелательна так же при ручном включении и отключении автоматов. При этом нельзя исключить возможность случайного включения фазного полюса или отключения нулевого, в результате чего в сети на проводах появится опасное для жизни напряжение, но электроприборы при этом работать не будут.

Можно ли заменить одним двухполюсным автоматом два однополюсных

При небольшой «доработке напильником» эта операция вполне возможна. С экономической точки зрения это не имеет смысла, но вполне возможна ситуация, при которой однополюсные аппараты отсутствуют или необходимо разделить линии в однофазном щитке без установки дополнительной аппаратуры. Для этого необходимо разрезать накладку, соединяющую ручки автоматов или вытащить из них проволоку.

После разделения полюса начнут включаться и отключаться независимо друг от друга. Недостаток конструкции в том, что при срабатывании защиты одного из устройств второе так же отключится. Чтобы этого не произошло необходимо:

1. 1. разделить ручки включения;
2. 2. тонкой отвёрткой разогнуть концы трубчатых заклёпок, соединяющие полюса;
3. 3. ножом раздвинуть однополюсные автоматы до выпадения соединительной пластинки;
4. 4. сжать вместе полюса и заново заклепать заклёпки.

Схема подключения двухполюсного автомата

Модульный двухполюсный автомат устанавливается в электрощитке на DIN-рейку при помощи специальных защёлок, находящихся с задней стороны корпуса. Подключение производится прижимными клеммами, в которые вставляется зачищенный конец провода.

Согласно ПУЭ п.3.1.6 подходящие провода рекомендуется присоединять к неподвижным контактам и, исходя из конструкции устройства, к автомату они подключаются к верхним клеммам.

В стандартной схеме электропроводки автоматические выключатели устанавливаются в следующей последовательности:

• до электросчётчика в отдельной опломбированной коробке — двухполюсный;
• после счётчика вводной автомат в электрощитке — двухполюсный;
• автоматы линий — допускается использование однополюсных выключателей с проходящей через них фазой.

Вывод

Отключение только одного из проводов в аварийной ситуации может привести к выходу оборудования из строя, а во время ремонта к поражению мастера электрическим током. Поэтому главное, для чего нужен двухполюсный автомат — это одновременное отключение обоих питающих проводов — нулевого и фазного. Установка однополюсных автоматических выключателей возможна только на отдельных линиях при наличии вводного двухполюсного автоматического выключателя.

Как выбрать автоматический выключатель?

Автоматический выключатель (АВ) размыкает электрическую цепь при резком возрастании в ней тока. Еще одной функцией этих устройств является защита от перегрузки – длительного протекания через автомат тока, значение которого превышает номинальное. Эти изделия относятся к наиболее распространенным типам защитной автоматики.

1. Сфера применения
2. Классификация АВ
3. Принцип работы АВ
4. Основные параметры
5. Времятоковые характеристики
6. Особенности конструкции

Сфера применения

Автоматические выключатели используются повсеместно. Помимо выполнения основных своих функций, на них возложено решение дополнительных задач, к которым относятся:

• Замыкание или размыкание электрической цепи в ручном режиме.

Совет! Не следует использовать такой выключатель для выполнения постоянных коммутаций, особенно под нагрузкой. Это существенно сокращает время его безаварийной эксплуатации.

• Некоторые устройства имеют возможность отключения потребителей при снижении напряжения на входе ниже допустимых значений или полного его пропадания.
• Для электроустановок, питаемых постоянным напряжением, крайне важное значение имеет направление тока. АВ постоянного тока могут размыкать цепь при изменении его направления.

Классификация АВ

Основными критериями, по которым могут быть определены типы автоматических выключателей, являются их технические характеристики. Учитывая большое количество этих параметров, становится понятным наличие огромного количества видов этих устройств.

При выборе выключателя для использования его в бытовой электросети следует выяснить важнейшие качества этого устройства, к которым относится:

• Количество полюсов. Каждый полюс АВ представляет собой независимый путь прохождения тока. Существуют однополюсные автоматические выключатели, используемые для защиты потребителей однофазной сети.

Двухполюсный выключатель позволяет одновременно размыкать фазный и нулевой провод, повышая уровень электробезопасности при эксплуатации электрооборудования.

Трехполюсный автоматический выключатель, а также его четырехполюсные аналоги применяются в трехфазных сетях. Выбор необходимого устройства зависит от используемой схемы электрической сети (количества фаз, а также наличия нулевого и заземляющего проводов).

На рисунке изображен трехполюсный автоматический выключатель, применяемый для защиты потребителей в трехфазных сетях с изолированной нейтралью.

• Номинальное напряжение и ток. Поскольку АВ представляет собой защитное устройство, то для обеспечения его надежного срабатывания в случае возникновения аварийной ситуации номинальный ток не должен значительно превосходить реально протекающий в сети. В противном случае устройство не сработает даже при значительной перегрузке потребителей, что может вызвать перегрев и возгорание изоляции или контактных соединений. ГОСТами определены такие номиналы автоматических выключателей по току: 3, 6, 10, 16, 25 А. Вводный выключатель может иметь номинальный ток 32, 40, 63 А. Устройства большей мощности не применяются для питания бытовых потребителей.
• Селективность – это способность защитного устройства отключать только тот участок сети, в котором произошло замыкание. Как правило, в конструкцию АВ, обладающих этим свойством входит две пары размыкающих контактов, подключенных параллельно. Срабатывая по очереди, они дают возможность автоматике оценить последствия отключения, если авария была устранена, то сработал один из менее мощных выключателей, который расположен ближе к нагрузке. В этом случае вводной селективный АВ не будет отключать все остальные потребители.
• Максимальный ток расцепителя. Еще один крайне важный параметр, требования к которому указаны в ГОСТах. Для определения соответствия АВ по этой характеристике, необходимо проводить измерение сопротивления петли «фаза-нуль». Если такие измерения не могут быть проведены, то можно выбрать устройство, исходя из опыта эксплуатации. Так, для бытовых электросетей вполне подойдут выключатели с максимальным током расцепления 4500 А.

Принцип работы АВ

Принцип работы автоматического выключателя основан на использовании электромагнитной индукции, а также способности различных металлов к расширению при нагревании. Соответственно, в конструкцию АВ входят два относительно независимых элемента, которые способны разъединять электрическую цепь.

К ним относятся:

• Электромагнитный расцепитель автоматического выключателя – устройство, состоящее из катушки индуктивности и подвижного сердечника. При резком возрастании тока в катушке подвижный сердечник перемещается под влиянием электродинамических сил и приводит в действие механизм расцепления. Чем меньше время нарастания тока, тем выше скорость движения сердечника. Таким образом обеспечивается быстродействие автомата при возникновении токов КЗ.
• Тепловой расцепитель – механизм, размыкающий цепь при длительном протекании тока, превышающего номинальный. Надежная работа электрической сети предусматривает возможность перегрузок, время действия которых находится в обратной зависимости от их величины. Это качество обеспечивается путем использования биметаллической пластины, которая имеет свойство выгибаться при нагревании. В свою очередь, на скорость нагревания этого изделия влияет величина протекающего через него тока и время его прохождения.

Основные параметры

Выбор автоматического выключателя является чрезвычайно ответственным мероприятием, от которого зависит состояние электрической и пожарной безопасности жилища, а также правильность работы квартирной электропроводки. Перед тем как выбрать автоматический выключатель следует ознакомиться с их основными характеристиками, оценить мощность потребителей и составить схему электрической сети. Все это поможет подобрать устройства, которые смогут обеспечить надежную защиту электрооборудования и не окажутся чрезмерно дорогостоящими.

К основным ГОСТам, регламентирующим требования к характеристикам АВ, относятся:

1. ГОСТ Р 50345-2010. Этим ГОСТом устанавливаются основные требования к бытовым автоматам.
2. ГОСТ Р МЭК 60898-2-2006. Стандарт содержит сведения о существующих видах АВ, а также обозначениях, используемых при их маркировке.
3. ГОСТ Р 50030.2-99. Определяет требования к выключателям с плавкими предохранителями.
4. ГОСТ Р 51327.1-2010. Этот ГОСТ определяет требования к АВ, управляемым дифференциальным током.

Кроме определения требований к АВ, ГОСТами устанавливаются правила их маркировки, по которой может быть легко выбрано необходимое устройство.

К наиболее важным техническим характеристикам АВ относятся:

1. Тип времятоковой характеристики.
2. Номинальный ток автоматического выключателя.
3. Селективность.
4. Возможность самодиагностики.
5. Время срабатывания (быстродействие).
6. Массогабаритные характеристики.
7. Тепло- и газовыделение.
8. Максимальный ток расцепителя, которым определяется отключающая способность автоматического выключателя.

Маркировка автоматических выключателей содержит обозначения, позволяющие получить информацию о большинстве этих характеристик.

Времятоковые характеристики

Для того чтобы подобрать автоматический выключатель по скорости срабатывания используются времятоковые характеристики – графические зависимости, позволяющие поставить в соответствие кратность тока (отношение реально протекающего тока к номинальному) и время срабатывания расцепителя. Поскольку сфера применения АВ чрезвычайно широка, то существуют выключатели, обладающие различными характеристиками и предназначенные для установки в сетях, питающих различные потребители.

ГОСТами установлены следующие виды характеристик, по которым может быть оценено время срабатывания АВ:

• В. Такие устройства предназначены для установки в осветительных сетях, имеющих преимущественно активную нагрузку.
• С. Наиболее распространенная группа, включающая в себя изделия, которые могут быть использованы для установки в электрических сетях бытового и хозяйственного назначения.
• D. Автоматический выключатель этого вида имеет относительно большое время срабатывания при возрастании тока в несколько раз по отношению к номинальному значению. Такое качество позволяет использовать его для защиты электродвигателей, имеющих значительные пусковые токи.

Существенное влияние на количество циклов размыкания и замыкания, а значит и на срок службы выключателя оказывает наличие в его конструкции дугогасительной камеры – устройства, которое предназначено для подавления электрической дуги. В настоящее время существует большое количество типов подобных устройств, как и принципов их работы (использование дугогасительных контактов, решеток, «двойного разрыва» и т. д.). Одно можно сказать точно, без них невозможно было бы обеспечить надежность выключателя при срабатывании его под нагрузкой, особенно при отключении токов коротких замыканий.

Для выведения газов, образованных во время гашения дуги, используется специальное отверстие в корпусе АВ.

Особенности конструкции

Для организации электроснабжения частной квартиры используются различные виды АВ. Однако большинство из них работает по одному и тому же принципу. Это позволяет рассмотреть их внутреннее устройство на примере типового автоматического выключателя.

К основным элементам, входящим в конструкцию автомата, относятся:

1. Корпус.
2. Клеммы, предназначенные для присоединения проводов.
3. Рычаг управления.
4. Подвижный контакт.
5. Неподвижный контакт.
6. Тепловой расцепитель.
7. Электромагнитный расцепитель.
8. Регулировочный винт.
9. Дугогасительная камера.

Что касается установки АВ в собственной квартире, то технически она не представляет никакой сложности. Автомат крепится на дин рейку, после чего к верхним его клеммам подключается питающие контакты, а к нижним – провода, идущие к потребителю. Естественно, что при выполнении всех работ в распределительном щитке должно быть отключен вводный автомат.

Сети с изолированной нейтралью

Сети напряжением до 1 кВ в нашей стране в подавляющем большинстве случаев выполняются в режиме глухозаземленной нейтрали. Это означает, что нейтральная точка вторичной обмотки трансформатора на подстанции накоротко соединяется с заземляющим устройством.

Таким образом, между любой фазой в сети 0,4 кВ и землей всегда имеется напряжение, получившее название «фазного» и имеющее величину 220 вольт. Но в некоторых случаях используются сети 0,4 кВ с изолированной нейтралью (система IT).

Такое может быть, например, если вторичные обмотки трансформатора соединяются в «треугольник» и нейтральная точка просто отсутствует. Или, предположим, по каким-то причинам недопустимо аварийное отключение сети, связанное с коротким замыканием на землю.

Из-за того, что электрическое соединение между проводниками сети и землей в сетях IT отсутствует, то однофазное замыкание на землю уже нельзя назвать «коротким». Однако нельзя и считать, что ток утечки при таком замыкании будет отсутствовать вовсе.

Дело в том, что изоляция жил питающего кабеля не является абсолютным диэлектриком. То же самое можно сказать и обо всех изоляторах, имеющихся в сети, а также о прочих изоляционных материалах.

Все они имеют какую-то минимальную проводимость, поэтому ток утечки через них имеется всегда. И он тем больше, чем больше протяженность линии. Кроме того, каждую жилу питающего кабеля можно представить как одну из обкладок конденсатора.

Второй обкладкой является земля, а диэлектрик – это слой изоляции и воздушный слой между кабелем и ближайшими токоведущими частями, не находящимися под напряжением. Емкость такого конденсатора будет тем больше, а сопротивление цепи утечки – тем меньше, чем более протяженной является линия.

С учетом сопротивления изоляции и удельной электроемкости сеть с изолированной нейтралью можно представить в виде цепи замещения, как показано на рисунке. Каждая фаза соединена с землей посредством параллельно включенного конденсатора и резистора.

Благодаря этим элементам цепи замещения при однофазном замыкании на землю в сети возникает ток утечки по цепи: «пострадавшая фаза — земля — элементы цепи замещения — исправные фазы». Практически при любых условиях в сетях с изолированной нейтралью 0,4 кВ этот ток невелик и может исчисляться миллиамперами.

Несмотря на то, что ток однофазного замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью относительно мал, а сеть после его возникновения по-прежнему может работать, такое замыкание ведет к аварийному режиму работы сети.

Необходимо учитывать, что в подобных сетях при однофазном замыкании на землю резко возрастает напряжение между исправными фазами и землей. Фактически это напряжение становится равно линейному – 380 вольт. Это чревато поражением электрическим током для электротехнического и электротехнологического персонала.

А, кроме того, однофазное замыкание на землю в сетях с изолированной нейтралью способствует пробою изоляции и возникновению замыкания на землю уже в двух других фазах.

По сути, возникает вероятность короткого межфазного замыкания с характерными сверхтоками, для защиты от которых потребуются автоматические выключатели или плавкие вставки.

Вместе с тем малая величина тока однофазного замыкания на землю в сетях IT становится причиной того, что определить такое замыкание и отключить его при помощи автоматов или предохранителей просто невозможно – необходима дополнительная релейная аппаратура, сигнализирующая об аварии.

Таким образом, сети IT требуют большего количества аппаратов защиты и сигнализации, а к персоналу, обслуживающему такие сети, можно предъявлять повышенные требования по квалификации.