Защитный автомат: подробный обзор характеристик.

9 February

Обзор защитных автоматов
Обзор защитных автоматов

Несколько лет назад я опубликовал на блоге статьи по выбору автоматических выключателей и почему выбивает защитный автомат, в которых вкратце рассказал о том, какие бывают автоматы, какие у них характеристики и принципы выбора. Статьи неплохие, но к ним было несколько справедливых критических замечаний. Я решил статьи не переделывать, а написать новую статью, в которой постараюсь максимально широко изложить информацию по защитным автоматам. Будем считать, что эти статьи взаимно дополняют друг друга.

Мне попало в руки несколько автоматических выключателей нового бренда TEXENERGO, поэтому, пользуясь случаем, на их примере будем рассматривать подобные однотипные автоматы вообще.

Понятно, что TEXENERGO - бюджетный вариант, производится в Китае, сейчас это уже не новость и не повод для злопыханий. Уверен, что на этом китайском заводе производится много других брендов для разных стран, и это только плюс - там научились делать качественные дешевые автоматов по отработанной технологии.

Характеристики расцепителей защитных автоматов

Итак, внутри автомата есть два устройства расцепления (выключения), каждый из которых срабатывает независимо, в своем диапазоне токов. Работа обоих этих расцепителей приводит к тому, что они так или иначе отключают автомат, когда через него протекает сверхток (больше номинального).

Первый - тепловой расцепитель, который работает на принципе нагрева и изгиба биметаллической пластинки, по которой протекает рабочий ток автомата. Для примера, на таком же принципе работает регулятор температуры в утюге и электронагревателе. Пластинка калибрована и настроена таким образом, что при определенном токе она нагревается до определенной температуры, что приводит к её критическому изгибу и, как следствие, выключению автомата. Тепловой расцепитель обладает некоторой инерционностью, что благотворно сказывается на его работе в реальных условиях. Если можно так выразиться, он "ожидает", прежде чем сработать.

Второй расцепитель - электромагнитный. Скорость его работы гораздо выше по сравнению с тепловым расцепителем. Из названия понятен принцип работы - имеется электромагнит, который срабатывает и выключает нагрузку при коротком замыкании. Ток "расцепления" электромагнитного расцепителя в несколько раз (в разных случаях от 3 до 20) выше тока теплового расцепителя.

Рассмотрим подробно характеристики расцепителей с примерами и ссылками на ГОСТ.

Все характеристики определяются при контрольной температуре +30 °С.

Время-токовая характеристика (ВТХ)

Это - основная характеристика, которой описывается работа автоматического выключателя. У неё встречаются и другие названия -

  • характеристика срабатывания,
  • характеристика расцепителя,
  • токовая характеристика,
  • отключающая характеристика,
  • защитная характеристика,
  • кривая тока,
  • кривая отключения,
  • характеристика отключения...

Смысл один - это график, на котором показана зависимость времени отключения автомата от величины проходящего через него тока:

 Время-токовая характеристика, она же - кривая отключения автомата, защитная характеристика
Время-токовая характеристика, она же - кривая отключения автомата, защитная характеристика

На графике обозначены три области - B, C, D. Согласно ГОСТ Р 50345-99 (п. 5.3.5), каждая из них определяет свой порог срабатывания электромагнитного расцепителя:

  • B - от 3 до 5 In,
  • C - от 5 до 10 In,
  • D - от 10 до 20 In,

где In - номинальный ток теплового расцепителя.

То есть, ток срабатывания электромагнитного расцепителя нормируется через ток теплового.
 Автоматы TEXENERGO - с разными защитными характеристиками и номинальными токами: B6, B16, C40, C32
Автоматы TEXENERGO - с разными защитными характеристиками и номинальными токами: B6, B16, C40, C32

Время срабатывания tср электромагнитного расцепителя типа В определяется так (ГОСТ Р 50345-2010, п. 9.10.2):

  • tср ≥ 0,1 с для тока 3 In и менее,
  • tср < 0,1 с для тока 5 In и более

Для характеристик типа С, D время срабатывания tср определяется аналогично.

Почему на графике ВТХ указаны не линии, а области? Дело в том, что кроме естественного разброса параметров устройств, ток расцепления зависит от температурного состояния автомата. Нижняя часть графика относится к случаю, когда автомат долго был в работе (горячее состояние), верхняя - автомат в холодном (неразогретом) состоянии.

Когда сработает тепловая, а когда - электромагнитная защита?

Чтобы было понятно, для примера возьмем автомат В10 - защитная характеристика В, номинальный ток 10 А - и проанализируем график токовый характеристики по основным диапазонам тока:

  • 0...11,3 А - автомат выключаться не должен, это диапазон токов для его нормальной работы,
  • 11,3...14,5 А - есть вероятность, что автомат через некоторое время сработает  в результате действия теплового расцепителя (подробнее - ниже),
  • 14,5...30 А - время выключения по тепловой защите составит от 1 часа (для тока 14,5 А) до 4 с (для 30 А),
  • 30...50 А (3...5 In) - интересный участок, тут может сработать и тепловой расцепитель (за время от 4 до 1 с), и электромагнитный.
  • если сверхток более 50 А (>5 In), работает только электромагнитная защита, поскольку тепловая тут слишком инерционная.

Что изменится, если для примера взять автомат С10? Изменится лишь участок, на котором работают оба расцепителя, он сдвинется к значениям 50... 100 А. Для автомата D10 этот диапазон будет 100...200 А.

Почему такой большой разброс? Он происходит от разброса рабочих характеристик реальных автоматов. То есть, для В10 при токе 30 А электромагнитная защита МОЖЕТ сработать, а при токе 50 А ДОЛЖНА сработать.

Рассмотрим подробно несколько терминов и точек на характеристике.

Номинальный ток теплового расцепителя In

Это максимальный ток, который автомат может гарантированно проводить неограниченное время без негативных последствий и срабатывания расцепителей. Номинальный ток указан числом на передней части автомата, перед числом указан тип защитной характеристики.

Номинальный ток In - основной параметр автоматического выключателя.

Пример на фотографиях выше - В6. Ещё пример, автоматы с номинальным током 40 и 32 А и защитной характеристикой С:

 Защитные автоматы TEXENERGO BA47-29 С40, С32
Защитные автоматы TEXENERGO BA47-29 С40, С32

Неотключающий ток теплового расцепителя 1,13 In

Это ток, действие которого не приводит к выключению автомата. Его называют также током условного нерасцепления. В ГОСТ Р 50345-2010 (п.8.6 и п.9.10) говорится, что автомат не должен выключаться в течение часа при токе 1,13 In. Поэтому на характеристике и указано значение 1,13.

Отключающий ток теплового расцепителя 1,45 In

Этот параметр также называют током условного расцепления. Он равен 1,45 In. Иными словами, при сверхтоке, превышающем номинал в 1,45 раза, автомат должен гарантированно сработать по тепловой защите в течение часа работы.

Проверочный ток теплового расцепителя 2,55 In

Эта точка на графике не отмечена, но в ГОСТе (Р 50345-2010, п.9.10.1.2) приведена. Данный ток используют для проверки работы теплового расцепителя защитного автомата. Время размыкания должно быть в пределах от 1 до 60 с для автоматов с In ≤ 32 А, и от 1 до 120 с для In > 32 А.

Читая эти правила и смотря на график ВТХ, можно сделать два вывода.

  • Правила позволяют больший разброс времени выключения, чем это указано на графике.
  • Точка 2,55 In выбрана не случайно - при этом токе во всех типах автоматов в выключении участвует только тепловой расцепитель.

Коррекция номинального тока от температуры

Как я говорил выше, все характеристики теплового расцепителя определяются при температуре окружающей среды 30 °С. Однако, автомат при работе греется, это нормально. Когда в щитке стоят несколько автоматов (а так всегда и бывает), они взаимно нагревают друг друга, и тепловой расцепитель будет срабатывать раньше, чем положено по номиналу.

Для расчета взаимного влияния существует таблица коррекции номинального тока In в зависимости от количества установленных вплотную автоматов:

Таблица. Поправочный коэффициент номинального тока в зависимости от количества установленных автоматов
Таблица. Поправочный коэффициент номинального тока в зависимости от количества установленных автоматов

Используя понижающий поправочный коэффициент из таблицы, можно приблизительно узнать, насколько уменьшится номинальный ток каждого из установленных автоматов.

Коррекция номинального тока также производится, если температура окружающей среды сильно отличается от 30 °С. Для оценки изменения номинального тока теплового расцепителя существует таблица коррекции номинального тока от температуры:

 Таблица. Зависимость номинального тока автомата от температуры для некоторых номиналов
Таблица. Зависимость номинального тока автомата от температуры для некоторых номиналов

Отправная (контрольная) температура - плюс 30 °С, при её уменьшении автомат сработает позже (номинальный ток увеличится), а когда в помещении жарко - автомат выключится раньше.

Фактически, автоматы, расположенные в щитке на улице и в доме в котельной - это два автомата с разными параметрами.

Оба приведенных поправочных температурных коэффициента следует учитывать при проектировании электрооборудования.

Далее рассмотрим параметры, относящиеся только к электромагнитному расцепителю.

Номинальная наибольшая отключающая способность, Icn

На графике кривой отключения (ВТХ), приведенном выше, показаны сверхтоки только до 100 I/In. Однако, диапазон токов простирается дальше, в область килоампер. Само собой, при таких токах задача у автомата - не только отключить замкнувшую нагрузку, но и сохранить свою работоспособность. Ведь при выключении (размыкании) контактов возникает электрическая дуга (фактически - пламя), которая может привести к пожары, взрыву, обгоранию поверхности контактов. Дугу гасят дугогасительными камерами специальной конструкции, а контакты делают из стойких сплавов.

Предельная отключающая способность 6 кА
Предельная отключающая способность 6 кА

Согласно ГОСТ Р50345-99 (п. 6f), параметр Icn обозначается в рамке, и в данном случае равен 6000 А. У некоторых дешевых брендов In = 4500 А, у более дорогих автоматов такого размера - 10 кА.

Как я говорил выше, совсем не факт, что такой ток будет течь через автомат в момент КЗ, разве только если автомат расположен рядом с подстанцией. Однако, это параметр говорит о способности стойко реагировать на короткие замыкания, исключая вероятность пожара, при этом ничуть не теряя своих качеств.

Мне попадались автоматы, которые после первого же КЗ вообще не хотели включаться.

Название параметра происходит от английских слов "Capacity Normal". Другие встречающиеся названия этого параметра - предельная коммутационная способность, номинальная наибольшая отключающая способность, номинальная отключающая способность.

Часто путают этот параметр с номинальным условным током короткого замыкания Inc. Не смотря на то, что этот ток имеет те же значения (4500, 6000, 10000), он используется в описании характеристик устройств дифференциальной защиты (УЗО).

Рабочая Ics и предельная Icu отключающая способность

Эти параметры в бытовом применении не используются, и в первом приближении можно сказать, что Icn = Ics =Icu.

Слово "рабочая" (Servise) говорит о том, что автомат можно после данного тока КЗ включить (естественно, после устранения причин КЗ), и он продолжит работать с теми же параметрами. Ток Ics автомат может выдержать три раза за весь период эксплуатации, далее он подлежит замене.

Ток Icu для автомата - крайний, предельный (Ultimate), но производитель гарантирует, что автомат безопасно отключит аварийную цепь, пусть даже ценой собственной жизни.

Класс токоограничения

Этот параметр говорит о быстродействии автомата. Значение параметра приводится в рамке, под значением Icn:

 Класс токоограничения автомата говорит о быстродействии электромагнитной защиты
Класс токоограничения автомата говорит о быстродействии электромагнитной защиты

Цифра в рамке говорит о части периода напряжения, за которое электромагнитная защита сработает при КЗ. Если указана цифра "3", значит, при КЗ автомат успеет отработать за 1/3 периода, или за время около 6 мс.

Впрочем, в наши дни технология продвинулась настолько, что все производители легко выполняют данное условие, и автоматический выключатель любого бренда имеет класс токоограничения 3.

На сегодня всё, жду вопросов и справедливой критики в комментариях.

А во второй части статьи мы рассмотрим конструкцию автомата снаружи и изнутри, а также проведём его тестирование.

Оригинал статьи тут.

Жду комментариев и вопросов!

Не забываем про лайк и подписку!

Если интересны темы канала, заходите также на мой сайт - https://samelectric.ru/ и в группу ВК - https://vk.com/samelectric