Автоматические выключатели

Пост про предохранители был встречен весьма благосклонно, поэтому я выкинул все черновики и решил переписать про автоматические выключатели в том же стиле. Изобретем в учебных целях автоматический выключатель?)

Видео-версия для тех кто любит слушать и смотреть демонстрации:

Итак, мы хотим захватить рынок электротехники выпустив линейку автоматических выключателей — они как предохранители, только многоразовые. Организуем стартап, собираем деньги инвесторов, написав в рекламе:

Новейшие инновационные автоматические выключатели! Защитят вашу проводку от перегрузки и короткого замыкания, отключив напряжение за доли секунды, спасая ваш дом от пожара, а генератор от поломки. Хватит покупать одноразовые предохранители, наши инновационные автоматические выключатели сохранят ваши деньги, ведь сработав, они снова готовы к работе, стоит лишь повторно их включить.

Технически реализовать такой автоматический выключатель не сложно. Ток, протекая по проводнику создает магнитное поле. Чем больше ток — тем сильнее магнитное поле. Если свернуть проводник в катушку, то мы получим электромагнит, который втягивает в себя стальной якорь с силой, пропорциональной протекающему в цепи току. Если включить этот электромагнит в цепь последовательно с нагрузкой, а якорь подпружинить и соединить с защелкой, получим простейший автоматический выключатель. Ток срабатывания будем просто регулировать натяжением пружины. Получилось как то так:

Регулировочный винт натяжения пружинки оснастим приблизительной шкалой, и автоматический выключатель готов. Если где-то произошло короткое замыкание, ток резко возрастает, магнитное поле в катушке увеличивается настолько, что втягивает якорь, пересиливая пружинку. Защелка освобождает рубильник, и он под своим весом, или возвратной пружиной разрывает цепь. При этом, механизмом можно пользоваться как обычным неавтоматическим рубильником — отключать и включать цепь, когда нужно.

Практически сразу, нам начнут жаловаться на недостатки, и оба связаны с контактами. Во первых, оказалось, что у нерешительных электриков наш выключатель выходит из строя. Если очень плавно включать и выключать наш рубильник, то в месте контактов сильно искрит, и от этого оплавляются контакты. Во вторых, все проводники мы делали из меди, которая отлично проводит ток, но на воздухе окисляется. Слой окислов плохо проводит ток, возникает нагрев, из-за которого окисный слой формируется еще быстрее… в общем контакт  греется и плавится.

Первый недостаток мы поборем, добавив пару пружинок и рычагов. При движении рукоятки контакты будут резко перещелкиваться, что минимизирует время, когда искра горит и портит контакты. Бонусом сделаем механизм свободного расцепления — если упорный идиот будет держать рычаг в режиме «вкл», то автоматический выключатель все равно сработает и разомкнет контакты.  Со вторым недостатком сложнее. Просто покрытие меди чем-то, что не окисляется так сильно (золото, никель, олово и т.д.) поможет буквально на пару включений — искрение при коммутации (а от него полностью никогда не избавиться) быстро испортит покрытие и оголит медь. Положив глаз на столовое серебро шефа решаем проблему, сделав небольшие напайки на контакты из серебра. В один выключатель его уходит буквально доли грамма, поэтому цена выросла не сильно, зато контакт оказался гораздо надежнее.

Получилось прекрасно, можно рекламировать и продавать, как замену предохранителям. Для простоты замены, точно так же, напишем на них номинальный ток — ток, который гарантированно будет проходить через автоматический выключатель, не вызывая отключения. А вот узнать ток, при котором произойдет отключение можно будет по графикам в документации.

Но, по секрету, в личной беседе, вам расскажут, что получившееся изделие отлично работает при коротком замыкании, когда ток резко возрастает до десятков, а то и сотен раз больше номинального. Электромагнит быстро втягивает якорь и все отключается за доли секунды. А вот при небольших перегрузках механизм работает плохо. Если ток в цепи лишь немного меньше тока, при котором срабатывает автоматический выключатель, электромагниту не хватает сил втянуть якорь до конца, но вот заставить его громко вибрировать — вполне. Кроме того регулировка механизма становится весьма трудоемкой и капризной, но написать «Номинальный ток 10А +/- 5А» запретил рекламный отдел.

И вот к нам в руки, совершееееенно случайно, попадает изделие конкурентов. Ту же самую задачу они решили немного иначе. Вместо электромагнитного расцепителя они использовали тепловой, на базе биметаллической пластинки! (Биметаллическая пластинка, это пластинка из двух слоев разных металлов с разными коэффициентами теплового расширения. Если ее нагревать — она изгибается, причем довольно предсказуемо). Их логика также проста: намотаем на биметаллическую пластинку кусочек проволоки с высоким удельным сопротивлением и включим последовательно в  цепь. Чем больше ток в цепи — тем сильнее нагрев проволочки, тем сильнее изгиб биметаллической пластинки. Если нагрев достаточно сильный, пластинка сможет изогнуться и освободить защелку, отключив цепь. Механизм получился весьма компактным, что поместился в корпус обычного выключателя. На фотографии выключатели с  тепловыми расцепителями.

Правда за рюмкой чая по секрету вам расскажут… что получившееся изделие отлично работает при небольшой перегрузке, когда ток превышает номинальный в 1,5-3 раза.  Тепловые процессы медленные, поэтому защита неторопливая, срабатывает за секунды-десятки секунд. А вот при коротких замыканиях механизм работает плохо — нагрев слишком сильный и неравномерный, биметаллическая пластинка может расплавиться прежде, чем сработает механизм расцепления.

Ну а дальше вы поняли:

Соединив два вида расцепителей в одном устройстве мы объединим достоинства и прикроем недостатки! Для небольших перегрузок (1,5-3 раза превышающих номинальный ток) у нас будет тепловой расцепитель, который медленный, но точный. А для больших превышений, характерных для коротких замыканий, в 10-20 раз превышающих номинальный ток у нас будет электромагнитный. Упакуем это все в корпус — пробку (что бы обеспечить обратную совместимость: вывернул предохранитель — ввернул автоматический выключатель, даже ребенок справится), напишем рабочее напряжение, и вуаля — ПАР-16 собственной персоной, выпускается до сих пор. Слева я добавил исходный предохранитель, который заменяем автоматическим выключателем-пробкой:

Для упрощения ток пустили по самой биметаллической пластинке — сама себя нагревает, сама изгибается. Последовательно с пластинкой в цепи включен электромагнит — они могут освободить защелку и разорвать цепь независимо друг от друга. Эта комбинация из теплового и электромагнитного расцепителей оказалась столь удачна, что используется в конструкции автоматических выключателей многие десятки лет.

Но снова поступают жалобы — в новых домах проводка толстая, номинальные токи большие, как итог — токи короткого замыкания огромные — тысячи ампер. Когда контакты расходятся — зажигается электрическая дуга, которая сама по себе гаснуть не хочет, ток проводит да еще сильно греется, расплавляя металл. А иногда из-за большого тока контакты свариваются между собой, что пружина не может их разъединить. Так мы снова столкнулись с отключающей способностью — это максимальная величина тока, которую гарантированно может разорвать автоматический выключатель без вреда для себя. Если ток короткого замыкания будет больше, чем отключающая способность, то штатная работа превращается в лотерею.

Если в предохранителях для увеличения отключающей способности мы засыпали внутрь кварцевый песок, то в автоматический выключатель мы добавим  дугогасительную камеру. Это набор металлических пластинок рядом с контактами. Если при размыкании контактов зажигается дуга, то ее затягивает в пластинки, дробит на много маленьких дуг, которые быстро отдают тепло пластинкам и дуга гаснет. Единственное наглядное видео, которое я нашел — у фирмы ABB:

Теперь наш автоматический выключатель способен отключить цепь с током в несколько тысяч ампер и не сломаться. Нанесем маркировку отключающей способности в виде значения тока в амперах прямоугольнике.

Чтобы горячая электрическая дуга не прожгла дыру в корпусе (повредив соседнее оборудование), добавим теплоизолирующий вкладыш: (На фото слева — керамический вкладыш. В центре — пластиковый вкладыш, справа — вместо вкладыша сделано оребрение):

Засунем все в более удобный корпус, добавим всякие мелкие приятности, вроде дырочек для пломбирования, флажочки-индикаторы состояния и т.д. Так получаем современное устройство:

Чем быстрее — тем лучше. Пока конкуренты делали рычаги механизма расцепления из металла, мы поработали и сделали механизм из высококачественного пластика. Пошаманив с усилиями пружин, добиваемся того, что наш автоматический выключатель срабатывает еще быстрее — не за десятки миллисекунд а за единицы миллисекунд, с таким быстродействием ток короткого замыкания не успевает вырасти до максимально возможных значений, что дает одни преимущества. Для отличия будем писать на корпусе класс токоограничения — показатель того, насколько быстро автоматический выключатель может отключиться. Напишем просто цифрой в квадратике, 1 — если более чем за 10 мс, 2 — если за 6-10 мс и 3, если за 2,5-6 мс.

Но снова жалобы! Говорят, автоматы наши через раз вышибает при включении мощной нагрузки. Особенно возмущались установщики светодиодного освещения. Говорят у них всего 10 светильников светодиодных с драйверами по 35 вт. Всего в сумме 350 Вт — это примерно 1,5 Ампера потребления из сети. А при включении автомат на 16А отключается. Вздыхаем, произносим мантру «нупочемуниктонечитаетинструкции», показываем пальцем:

Большинство оборудования при включении потребляет стартовые токи в несколько раз больше, чем в рабочем режиме. Именно поэтому, когда вы включаете что-то мощное,  свет на долю секунды притухает. Тепловой расцепитель медленный, и обычно на кратковременные перегрузки не реагирует, поэтому расширим наш ассортимент автоматических выключателей, сделав разные электромагнитные расцепители, и обозначим буквой:

B— электромагнитный расцепитель сработает  при превышении номинального тока в 3-5 раз. Подойдет для освещения, бытовых нагревательных приборов, большинства электронных устройств.

C— электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 5-10 раз. Подойдет для потребителей с двигателями, мощными трансформаторами, групп осветительных приборов.

D— электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 10-20 раз. Подойдет для всего остального, особенно на производстве — для приборов с могучими моторами, систем с множеством мощных импульсных блоков питания и т.д. (Правда появляется опасность, что на слабой проводке тока короткого замыкания окажется недостаточно для срабатывания. )

По специальному заказу будем поставлять еще автоматические выключатели с маркировкой  K (8-12 раз) и Z (2-3 раза), что бы у каждого был друг, который знает человека, дальний родственник которого видел их живьем и держал в руках. Ну и троллинга ради, номинальный ток автоматического выключателя напишем специально мелким, трудночитаемым шрифтом (передаю привет schneider electric).

Снабдим это все графиком время-токовых характеристик. График наглядно показывает время, за которое сработает автоматический выключатель при разных превышениях номинального тока. Вот он:

Так как у нас ощутимый разброс параметров, то вместо тонких линий, на графике области, в пределах которых окажется реальное значение. Мы видим, что при небольшом превышении тока тепловой расцепитель работает одинаково, более-менее точно и медленно, при превышении тока в 1,45 раза (т.е. на автомате написано С16, а через него протекает 23А) он отключится за время менее 1 часа.. А если ток превышает номинальный в 2,55 раза — то менее чем за 1 минуту. Зато, если у нас ток всего лишь на секунду превысит номинальный в 4 раза, то автомат «В» у нас сработает, а вот автомат «C» и «D»  не сработают.

---

Электричество — это не шутка, убьет и зажарит. Проектирование, монтаж, ремонт — должны осуществляться людьми, имеющими профильные знания и навыки. Прочтения в интернете опусов диванных специалистов, вроде меня, не достаточно для самостоятельного выполнения работы электрика.
Резюме

1. Автоматический выключатель прежде всего защищает проводку, и номинальный ток обусловлен сечением проводников.  Замена автомата на «помощнее, что б не выбивало» — весьма изощренный способ выстрелить себе в ногу.
2. Даже самые дешевые автоматические выключатели подделывают! Закупайте электротехнику в специализированных магазинах — официальных дилерах.
3. Автоматический выключатель имеет свой срок службы, со временем стареет и меняет характеристики.  Не стоит полагать, что автомат в щитке 1975 года всегда как новенький и гарантированно сработает в аварийной ситуации.
4. Фундаментальных различий в устройстве автоматических выключателей разных производителей нет, конкуренция происходит в области качества/ассортимента/цены/маленьких приятных мелочей.