Реле управления автоматическим выключателем

Автоматические выключатели — конструкция и принцип работы

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта elektrik-sam.info!

Эта статья продолжает серию публикаций по электрическим аппаратам защиты — автоматическим выключателям, УЗО, дифавтоматам, в которых мы подробно разберем назначение, конструкцию и принцип их работы, а также рассмотрим их основные характеристики и детально разберем расчет и выбор электрических аппаратов защиты. Завершит этот цикл статей пошаговой алгоритм, в котором кратко, схематично и в логической последовательности будет рассмотрен полный алгоритм расчета и выбора автоматических выключателей и УЗО.

Чтобы не пропустить выход новых материалов по этой теме подписывайтесь на новостную рассылку, форма подписки внизу этой статьи.

Ну а в этой статье мы разберемся, что же такое автоматический выключатель, для чего предназначен, как он устроен и рассмотрим, как он работает.

Автоматический выключатель (или обычно просто «автомат») — это контактный коммутационный аппарат, который предназначен для включения и отключения (т.е. для коммутации) электрической цепи, защиты кабелей, проводов и потребителей (электрических приборов) от токов перегрузки и от токов короткого замыкания.

Т.е. автоматический выключатель выполняет три основный функции:

1) коммутацию цепи (позволяет включать и отключать конкретный участок электрической цепи);

2) обеспечивает защиту от токов перегрузки, отключая защищаемую цепь, когда в ней протекает ток, превышающий допустимый (например, при подключении в линию мощного прибора или приборов);

3) отключает от питающей сети защищаемую цепь, когда в ней возникают большие по значению токи короткого замыкания.

Таким образом, автоматы выполняют одновременно и функции защиты и функции управления.

По конструктивному исполнению выпускаются три основных типа автоматических выключателей:

— воздушные автоматические выключатели (применяются в промышленности в цепях с большими токами в тысячи ампер);

— автоматические выключатели в литом корпусе (рассчитаны на большой диапазон рабочих токов от 16 до 1000 Ампер);

— модульные автоматические выключатели, наиболее нам известные, к которым мы привыкли. Они широко применяются в быту, в наших домах и квартирах.

Модульными они называются потому, что их ширина стандартизирована и в зависимости от количества полюсов, кратна 17.5 мм, более подробно этот вопрос будет рассмотрен в отдельной статье.

Мы с вами будем рассматривать именно модульные автоматические выключатели и устройства защитного отключения.

Устройство и принцип работы автоматического выключателя.

Рассматривая конструкцию УЗО, я говорил, что для исследования от заказчика достались также и автоматические выключатели, конструкцию которых мы сейчас рассмотрим.

Корпус автоматического выключателя изготавливается из диэлектрического материала. На передней панели нанесена торговая марка (брэнд) производителя, каталожный номер. Основные характеристики — номинал (в нашем случае номинальный ток 16 Ампер) и время токовая характеристика (у нашего образца С).

Также на передней поверхности указываются и другие параметры автоматического выключателя, о которых речь пойдет в отдельной статье.

На задней части имеется специальное крепление для монтажа на DIN-рейку и крепления на ней с помощью специальной защелки.

DIN-рейка — это металлическая рейка специальной формы, шириной 35 мм, предназначенная для крепления модульных устройств (автоматов, УЗО, различных реле, пускателей, клеммников и т.д.; выпускаются счетчики электроэнергии специально для установки на DIN-рейку). Для монтажа на рейку необходимо завести корпус автомата за верхнюю часть DIN-рейки и нажать на нижнюю часть автомата, чтобы фиксатор защелкнулся. Для снятия с DIN-рейки необходимо поддеть снизу фиксатор защелки и снять автомат.

Встречаются модульные устройства с тугими защелками, в этом случае при установке на DIN-рейку необходимо поддевать снизу защелку фиксатора, заводить автомат на рейку и потом отпускать защелку, либо защелкивать ее принудительно, надавливая на нее отверткой.

Корпус автоматического выключателя состоит из двух половинок, соединенных четырьмя заклепками. Чтобы разобрать корпус, необходимо высверлить заклепки и снять одну из половинок корпуса.

В результате получаем доступ к внутреннему механизму автоматического выключателя.

Итак, в конструкцию автоматического выключателя входят:

1 — верхняя винтовая клемма;

2 — нижняя винтовая клемма;

3 — неподвижный контакт;

4 — подвижный контакт;

5 — гибкий проводник;

6 — катушка электромагнитного расцепителя;

7 — сердечник электромагнитного расцепителя;

8 — механизм расцепителя;

9 — рукоятка управления;

10 — гибкий проводник;

11 — биметаллическая пластина теплового расцепителя;

12 — регулировочный винт теплового расцепителя;

13 — дугогасительная камера;

14 — отверстие для отвода газов;

15 — защелка фиксатора.

Поднимая рукоятку управления вверх, автоматический выключатель подключается к защищаемой цепи, опустив рукоятку вниз — отключатся от нее .

Тепловой расцепитель, представляет собой биметаллическую пластину, которая нагревается проходящим через нее током, и если ток превышает заданное значение, пластина изгибается и приводит в действие механизм расцепителя, отключая таким образом автоматический выключатель от защищаемой цепи.

Электромагнитный расцепитель — это соленоид, т.е. катушка с намотанной проволокой, а внутри сердечник с пружиной. При возникновении короткого замыкания ток в цепи очень быстро нарастает, в обмотке катушки электромагнитного расцепителя наводится магнитный поток, под воздействием наведенного магнитного потока перемещается сердечник, и, преодолевая усилие пружины, воздействует на механизм и отключает автомат.

Как работает автоматический выключатель?

В обычном (неаварийном) режиме работы автоматического выключателя, когда рычаг управления взведен, электрический ток подается к автомату через питающий провод, подключенный к верхней клемме, далее ток проходит на неподвижный контакт, через него на подключенный к нему подвижный контакт, далее через гибкий проводник подается на катушку соленоида, после катушки по гибкому проводнику на биметаллическую пластину теплового расцепителя, от него на нижнюю винтовую клемму и далее в цепь подключенной нагрузки.

На рисунке показан автомат во включенном состоянии: рычаг управления поднят вверх, подвижный и неподвижный соединены.

Перегрузка возникает, когда ток в цепи, контролируемой автоматическим выключателем, начинает превышать номинальный ток автомата. Биметаллическая пластина теплового расцепителя начинает нагреваться проходящим через нее повышенным электрическим током, изгибается, и, если ток в цепи не уменьшается, пластина воздействует на механизм расцепления, и автоматический выключатель отключается, размыкая защищаемую цепь.

Для нагрева и изгибания биметаллической пластины требуется некоторое время. Время срабатывания зависит от величины проходящего через пластину тока, чем больше ток, тем меньше время срабатывания и может быть от нескольких секунд до часа. Минимальный ток срабатывания теплового расцепителя составляет 1,13-1,45 от номинального тока автомата (т.е. тепловой расцепитель начинает срабатывать при превышении номинального тока на 13-45%).

Автоматический выключатель — это устройство аналоговое, этим объясняется такой разброс параметров. Существуют технические сложности при его точной настройке. Ток срабатывания теплового расцепителя устанавливается на заводе регулировочным винтом 12. После того, как остынет биметаллическая пластина, автоматический выключатель готов к дальнейшему использованию.

Температура биметаллической пластины зависит от температуры окружающей среды: если автоматический выключатель установлен в помещении с высокой температурой воздуха, то тепловой расцепитель может сработать при меньшем токе, соответственно при низких температурах ток срабатывания теплового расцепителя может быть выше допустимого. Подробно этот вопрос смотрите в статье Почему в жару срабатывает автоматический выключатель?

Тепловой расцепитель срабатывает не сразу, а через какое-то время, давая возможность току перегрузки вернуться к своему нормальному значению. Если же в течение этого времени ток не снижается, тепловой расцепитель срабатывает, защищая цепь потребителей от перегрева, оплавления изоляции и возможного возгорания проводки.

К перегрузке может приводить подключение в линию мощных приборов, превышающих расчетную мощность защищаемой цепи. Например, при включении в линию очень мощного нагревателя или электроплиты с духовкой (с мощностью, превышающей расчетную мощность линии), или одновременно несколько мощных потребителей (электроплита, кондиционер, стиральная машина, бойлер, электрочайник и т.п.), либо большого количества одновременно включенных приборов.

При коротком замыкании ток в цепи мгновенно возрастает, наводимое в катушке по закону электромагнитной индукции магнитное поле перемещает сердечник соленоида, который приводит в действие механизм расцепителя и размыкает силовые контакты автоматического выключателя (т.е. подвижный и неподвижный контакты). Линия размыкается, позволяя снять с аварийной цепи питание и защитить от возгорания и разрушения сам автомат, электропроводку и замкнувший электроприбор.

Электромагнитный расцепитель срабатывает практически мгновенно (около 0,02с), в отличие от теплового, но при значительно больших значениях тока (от 3-х и более значений номинального тока), поэтому электропроводка не успевает нагреться до температуры плавления изоляции.

При размыкании контактов цепи, когда в ней проходит электрический ток, возникает электрическая дуга, и чем больше ток в цепи — тем дуга мощнее. Электрическая дуга вызывает эррозию и разрушение контактов. Чтобы защитить контакты автоматического выключателя от ее разрушающего действия, дуга, возникающая в момент размыкания контактов, направляется в дугогасительную камеру (состоящую из параллельных пластин), где она дробится, затухает, охлаждается и исчезает. При горении дуги образуются газы, они отводятся наружу из корпуса автомата через специальное отверстие.

Автомат не рекомендуется использовать в качестве обычного выключателя цепи, особенно если его отключать при подключенной мощной нагрузке (т.е. при больших токах в цепи), поскольку это ускорит разрушение и эррозию контактов.

Итак, давайте резюмируем:

— автоматический выключатель позволяет коммутировать цепь (переводя рычаг управления вверх – автомат подключается к цепи; переводя рычаг вниз – автомат отключает питающую линию от цепи нагрузки);

— имеет встроенный тепловой расцепитель, который защищает линию нагрузки от токов перегрузки, он инерционен и срабатывает через некоторое время;

— имеет встроенный электромагнитный расцепитель, защищающий линию нагрузки от больших токов короткого замыкания и срабатывает почти мгновенно;

— содержит дугогасящую камеру, которая защищает силовые контакты от разрушительного действия электромагнитной дуги.

Конструкцию, назначение и принцип действия мы разобрали.

В следующей статье мы рассмотрим основные характеристики автоматического выключателя, которые необходимо знать при его выборе.

Смотрите Конструкция и принцип работы автоматического выключателя в видеоформате:

Полезные статьи по теме:

Силовые выключатели онлайн: возможности коммуникации в электрических системах предприятий

Делая прогноз на 2012-2014 гг., Минэкономразвития РФ заложил ежегодный рост отечественного энергопотребления на 2-2,5% 1 , аналогичные цифры уже наблюдались в 2010-2011 годах. Вместе с тем существует прямо пропорциональная связь между увеличением потребления энергии и аварийностью электрических сетей. Эксперты информационного агентства «INFOLine» в своих исследованиях подтверждают этот факт — по их данным, в 2011 году количество внеплановых отключений только генерирующего оборудования на станциях ОГК 2 выросло на 7,5%. 3

В итоге среднее время простоя российских промышленных потребителей составило 600 минут, что на порядок выше, чем в Европе. Одна из причин такой разницы кроется в том, что в России зачастую отключением и подключением оборудования, устранением неполадок, мониторингом работы электрической сети занимаются передвижные бригады. Европейцы же используют на своих предприятиях компьютерные системы диспетчеризации и силовые выключатели, управляемые дистанционно.

Цифровые технологии: топология коммуникационных сетей, интерфейсы и протоколы

Эффективно управлять современными промышленными электросетями с нагрузками от множества потребителей можно при помощи интеллектуальных систем, выполняющих функции сбора, обработки, отображения, управления и архивирования — так называемых SCADA (от англ. supervisory control and data acquisition — диспетчерское управление и сбор данных). В технической литературе этот термин имеет двоякое толкование: и «чисто» программный продукт, и симбиоз программного обеспечения и управляемых технических средств. Вторая интерпретация SCADA наиболее точно отражает рассматриваемую тематику, поскольку речь идёт о системах, в которых при помощи специальных программ можно дистанционно управлять аппаратами, установленными в распределительных шкафах.

Коммуникационные сети объединяют узлы систем электроснабжения посредством линий связи, физически представлявших собой коаксиальный кабель, витую пару, оптоволоконный кабель или инфракрасные лучи. По топологии сети могут образовывать «кольцо», «звезду» или «шину». Выбор того или иного варианта определяется рядом критериев: начиная от задач, которые предстоит выполнять оборудованию, и заканчивая бюджетом проекта.

В распределительных установках малого и среднего размера системы диспетчеризации, как правило, выполняются двухуровневыми. На верхнем уровне находится компьютер с программным обеспечением для мониторинга, управления и регистрации данных. На нижнем — датчики, исполнительные механизмы и аппараты защиты, оборудованные коммуникационными интерфейсами. В электротехнической практике это выглядит так (см. рис. 1): с нижнего уровня (называемого полевым) на «шину» поступают данные о распределительной электроустановке, такие как значение токов, напряжений, энергий, состояния выключателей и т.п. Далее эта информация отправляется на верхний уровень (в диспетчерский пункт) для операторского контроля, анализа и выработки команд, которые возвращаются на нижний уровень через «шину», но уже к исполнительным устройствам, главным образом — к защитным аппаратам.

Для того чтобы все элементы коммуникационной сети «понимали» цифровую информацию, они должны поддерживать специальный протокол, то есть строгие правила составления и чтения кодов. В промышленной автоматике большую популярность получил стандарт передачи цифровой информации RS-485, в основу которого положен принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Этот интерфейс помогает решить одну из главных проблем электрических сетей предприятий — избавиться от влияния синфазных помех. Последние приводят к искажению цифровой команды, поступающей, к примеру, на автоматический выключатель. Наличие помех чревато нестабильной коммуникацией между автоматическим выключателем и управляющей станцией, отсутствием реакции на отправленные на выключатель команды, что может иметь неприятные последствия для всей электроустановки.

«На практике это означает, что два цифровых устройства с интерфейсом RS-485, скажем, программируемый логический контроллер и автоматический выключатель, оборудованный электронным расцепителем, являются друг для друга приёмопередатчиками. Устройства соединяют витой парой, по проводам которой одновременно идёт один и тот же сигнал — оригинальный и инверсный. На входе приёмника (автоматического выключателя) всегда есть разница потенциалов, такая же, как на выходе передатчика (логического контроллера). Если эта величина положительная, засчитывается «1», если же отрицательная, то «0». А так как провода перевиты, наводка помех на них одинакова, ничто не влияет на работу защитного аппарата. Благодаря этим особенностям интерфейс RS-485 стал самым востребованным в промышленных сетях управления», — поясняет Алексей Петренко, инженер по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.

Автоматические выключатели в системах коммуникации и дистанционного управления

Автоматические выключатели, способные функционировать в системах SCADA, должны выполнять как функции контроля, так и дистанционного управления, причём в рамках одного и того же устройства. «Типичным примером таких аппаратов в распределительных электроустановках переменного тока могут быть воздушные выключатели Emax и аппараты в литом корпусе Tmax и Tmax XT, которые подключены к сети Modbus, — делится профессиональным опытом Вадим Шайхутдинов, инженер-схемотехник компании «Электротехника & компьютеры». — В этом случае сбор информации о состоянии распределительной электроустановки может производиться путём адресного контроля электрических параметров, правда при условии, что к расцепителям будут подключены специальные измерительные модули».

Причём, следует различать контроль и диспетчерское управление через сеть Modbus. Для первого достаточно модуля коммуникации, передающего информацию о состоянии автоматического выключателя, а также данные об измерениях, которые может осуществлять электронный расцепитель 4 .

Для того чтобы управлять аппаратами дистанционно по команде оператора или управляющей программы, их необходимо доукомплектовать дополнительными аксессуарами в зависимости от типа автоматического выключателя (в литом корпусе или воздушный) и серии (Tmax XT, Tmax или Emax). Например, для управления аппаратами в литом корпусе необходимо заказать моторный привод, который отвечает за функции включения и выключения; дополнительно к нему можно установить реле отключения (независимый расцепитель), который значительно уменьшает время срабатывания автоматического выключателя. Для управления воздушными выключателями необходимо заказать мотор-редуктор взвода пружин, реле включения и реле отключения. Применяемый принцип модульности позволяет строить любые конфигурации устройств защиты и подбирать их функционал, как того требует техническое здание.

Осуществление дистанционного управления в сетях постоянного тока подобно решениям для электрических сетей переменного тока. По словам Алексея Петренко, для этих целей применяются низковольтные воздушные автоматические выключатели серии Emax DC, оборудованные электронными расцепителями, выполненными специально для работы на постоянном токе, а также модулями связи и измерения. Для дистанционного управления этими аппаратами используются те же аксессуары: реле включения, реле отключения и мотор-редуктор. Иначе ситуация обстоит с выключателями в литом корпусе, т.к. защита сетей постоянного тока возможна только с помощью устройств с термомагнитными расцепителями. Но даже в этом случае при использовании аппаратов серии Tmax XT возможно подключать их к сети автоматизации для удалённого контроля их работы. Для этого необходимо использовать моторный привод и модуль коммуникации Ekip Com, что позволит отлеживать состояние аппарата (включён/выключен, сработал по любой причине) и управлять им.

«Использование дистанционного управления даёт возможность подать питание потребителю сразу, как только исчезнет угроза перегрузки или будет устранена авария, — считает Вадим Шайхутдинов. — Не нужно идти к распределительному щиту, который может находиться на другом конце завода, или ехать к трансформаторной подстанции, чтобы включить автомат вручную. Это можно сделать кликом «мышки» и сразу же увидеть на экране результат восстановления работоспособности».

Программное обеспечение

Для функционирования устройств защиты, укомплектованных модулем RS-485, необходимо специальное программное обеспечение. «В реальной практике ПО должно быть не только понятно для оператора, но и совместимо с операционной системой Microsoft Windows, используемой на большинстве компьютеров, — конкретизирует Алексей Петренко. — Одним из таких программных продуктов является Ekip Connect, при помощи которого формируется коммуникационная сеть во главе с диспетчерским компьютером и устанавливаются связи с устройствами нижестоящего уровня через «шину» интерфейса Modbus RS-485. Так обеспечивается online-диспетчеризация с выводом данных на монитор в виде интуитивно понятной древовидной схемы и осуществляется подача команд включения/выключения для автоматов защиты». Кроме того, Ekip Connect позволяет считывать результаты измерений, которые осуществляют автоматические выключатели с электронными расцепителям. Например, расцепители Ekip E, устанавливаемые на выключатели Tmax XT4, измеряют значения токов, протекающих через каждый полюс, а также напряжение, мощность полную, активную, реактивную, энергию полную, активную, реактивную, коэффициент мощности и частоту (см. рис.2), и всё это без использования дополнительного оборудования. Также программа Ekip Connect в реальном режиме времени тестирует работоспособность всей системы и каждого устройства в частности. А это означает, что при вводе в распределительную установку новых аппаратов диагностика ошибок монтажа и/или выявление неточностей программных настроек (например, когда не синхронизированы скорости передачи данных от разных устройств) осуществляются компьютером.

Рис. 2. Измерения, доступные с помощью расцепителя Ekip E

Передача контрольных и управляющих функций компьютеру позволяет оперативно реагировать на различные нештатные ситуации в электросетях предприятий. Прежде всего, преимущество заключается в существенной экономии средств за счёт уменьшения аварийности и времени простоя промышленных объектов. В итоге «управление сетью онлайн» помогает предприятию сократить издержки, повысить эффективность работы, а также значительно облегчить труд сотрудников.

По материалам пресс-службы компании АББ

2 Оптовая генерирующая компания

4 Уставки электронных расцепителей также можно изменить при помощи модуля коммуникации

Автоматический выключатель ВА88-33 3Р 40А 35кА

Срок поставки: по запросу

Цена товара: Нашли дешевле?