Введение

Автоматическое устройство защиты цепи

Автоматический выключатель – это электробезопасное устройство, предназначенное для защиты электрической цепи от повреждений, вызванных током, превышающим допустимый для оборудования (перегрузка по току). Его основная функция – прерывать поток тока для защиты оборудования и предотвращения пожара. В отличие от предохранителя, который срабатывает однократно и требует замены, автоматический выключатель может быть возвращен в рабочее состояние (вручную или автоматически) для возобновления нормальной работы. Автоматические выключатели изготавливаются с различными номинальными токами, от устройств, защищающих цепи с небольшим током или отдельные бытовые приборы, до коммутационного оборудования, предназначенного для защиты высоковольтных цепей, питающих целый город. Любое устройство, обеспечивающее защиту от чрезмерного тока путем автоматического отключения питания от неисправной системы, такое как автоматический выключатель или предохранитель, может называться устройством защиты от перегрузки по току (OCPD).

Происхождение

Ранняя форма автоматического выключателя была описана Томасом Эдисоном в патентной заявке 1879 года, хотя в его коммерческой системе распределения электроэнергии использовались предохранители. Его назначение заключалось в защите проводки осветительных цепей от случайных коротких замыканий и перегрузок. Современный миниатюрный автоматический выключатель, аналогичный тем, что используются в настоящее время, был запатентован компанией Brown, Boveri & Cie в 1924 году. Уго Стоц, инженер, продавший свою компанию компании Brown, Boveri & Cie, был указан в качестве изобретателя в немецком патенте 458392. Изобретение Стоца стало предшественником современного тепломагнитного автоматического выключателя, который до сих пор широко используется в распределительных щитах. Объединение нескольких источников генерации в единую электрическую сеть потребовало разработки автоматических выключателей с более высокими номинальными напряжениями и повышенной способностью безопасно прерывать возрастающие токи короткого замыкания, возникающие в сетях. Простые ручные выключатели с воздушным разрывом создавали опасные электрические дуги при отключении высоковольтных цепей; они были заменены контактами, помещенными в масло, и различными конструкциями, использующими направленный поток воздуха или масла под давлением для охлаждения и гашения дуги. К 1935 году специализированные автоматические выключатели, использовавшиеся в проекте плотины Гувера, использовали восемь последовательных разрывов и поток масла под давлением для отключения коротких замыканий мощностью до 2500 МВА за три цикла переменного тока.

Перерыв дуги

Миниатюрные автоматические выключатели низкого напряжения (MCB) используют только воздух для тушения дуги. Эти выключатели содержат так называемые дугогасительные пластины – стопку параллельных металлических пластин, взаимно изолированных друг от друга, которые разделяют и охлаждают дугу. Разделяя дугу на более мелкие дуги, происходит её охлаждение, при этом напряжение дуги увеличивается и создает дополнительное сопротивление, ограничивающее ток, протекающий через выключатель. Токопроводящие части вблизи контактов обеспечивают легкое отклонение дуги в дугогасительные пластины под действием магнитной силы тока, хотя магнитные катушки или постоянные магниты также могут отклонять дугу в дугогасительные пластины (применяется в выключателях более высокой мощности). Количество пластин в дугогасительном устройстве зависит от номинального тока короткого замыкания и номинального напряжения выключателя. В выключателях большей мощности масляные выключатели используют испарение части масла для создания струи, пробивающей дугу. Газовые (обычно гексафторид серы) выключатели иногда растягивают дугу с помощью магнитного поля, а затем полагаются на диэлектрическую прочность гексафторида серы (SF6) для гашения растянутой дуги. Вакуумные выключатели характеризуются минимальным образованием дуги (поскольку для ионизации доступен только материал контактов). Дуга гасится при незначительном её растяжении (менее чем…). Вакуумные выключатели часто используются в современных распределительных устройствах среднего напряжения. Воздушные автоматические выключатели могут использовать сжатый воздух для выдувания дуги, либо контакты быстро перемещаются в небольшую герметичную камеру, при этом вытеснение воздуха выдувает дугу. Автоматические выключатели обычно способны прерывать ток очень быстро: как правило, дуга гаснет в диапазоне от 30 мс до 150 мс после срабатывания механизма, в зависимости от возраста и конструкции устройства. Максимальное значение тока и пропущенная энергия определяют качество автоматического выключателя.

Краткое замыкание

Автоматические выключатели характеризуются как по номинальному току, который они должны выдерживать, так и по максимальному току короткого замыкания, который они могут безопасно прервать. Последний показатель – это амперная отключающая способность (AIC) выключателя. В условиях короткого замыкания расчетный или измеренный максимальный ожидаемый ток короткого замыкания может в несколько раз превышать номинальный ток цепи. При размыкании электрических контактов для прерывания большого тока возникает тенденция к образованию электрической дуги между разомкнутыми контактами, что может поддерживать протекание тока. Это может приводить к образованию проводящих ионизированных газов и расплавленного или испаренного металла, что, в свою очередь, может способствовать дальнейшему поддержанию дуги или создавать дополнительные короткие замыкания, потенциально приводя к взрыву автоматического выключателя и подключенного к нему оборудования. Поэтому автоматические выключатели оснащаются различными устройствами для разделения и гашения дуги. Максимальный ток короткого замыкания, который может прервать выключатель, определяется посредством испытаний. Применение выключателя в цепи с ожидаемым током короткого замыкания, превышающим его отключающую способность, может привести к неспособности выключателя безопасно прервать короткое замыкание. В худшем случае выключатель может успешно прервать короткое замыкание, но взорваться при повторном включении. Типичные автоматические выключатели в бытовых распределительных щитах рассчитаны на отключение тока короткого замыкания 6 (6000) ампер. Миниатюрные автоматические выключатели, используемые для защиты цепей управления или небольших приборов, могут не обладать достаточной отключающей способностью для использования в распределительном щите; эти выключатели называются "дополнительными устройствами защиты цепи", чтобы отличать их от автоматических выключателей распределительного типа.

Стандартные рейтинги тока

Выключатели производятся со стандартными номинальными значениями, используя систему предпочтительных чисел для создания полезного выбора номиналов. Миниатюрный автоматический выключатель имеет фиксированную настройку расцепителя; изменение значения тока срабатывания требует замены всего выключателя. Автоматические выключатели с более высокими номинальными значениями могут иметь регулируемые настройки расцепителя, что позволяет использовать меньше стандартизированных изделий, настроенных на требуемые точные номиналы при установке. Например, автоматический выключатель с размером корпуса 400 ампер может иметь порог обнаружения перегрузки по току, установленный на 300 ампер, если это значение соответствует требованиям. Для автоматических выключателей низкого напряжения международный стандарт IEC 60898-1 определяет номинальный ток как максимальный ток, который выключатель предназначен для длительного пропускания. Обычно доступные 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 и 125 А. Номинальный ток автоматического выключателя указывается в амперах с буквенным обозначением, которое указывает мгновенный ток срабатывания, вызывающий отключение выключателя без преднамеренной временной задержки, выраженный в кратных номинальном токе:
Тип Мгновенный ток срабатывания
B 3–5 x номинальный ток, например, устройство номиналом 10 А будет отключаться при 30–50 А
C 5–10 x
D 10–20 x
K 8–12 x
Для защиты нагрузок, вызывающих частые кратковременные (примерно 400 мс – 2 с) пики тока при нормальной работе, Z 2–3 x на протяжении десятков секунд. Для защиты нагрузок, таких как полупроводниковые приборы или измерительные цепи, использующие трансформаторы тока. Автоматические выключатели также классифицируются по максимальному току короткого замыкания, который они могут прервать; это позволяет использовать более экономичные устройства в системах, где маловероятно возникновение высоких токов короткого замыкания, например, в крупной коммерческой распределительной сети здания. В Соединенных Штатах Underwriters Laboratories (UL) сертифицирует номиналы оборудования, называемые последовательными номиналами (или "интегрированными номиналами оборудования") для оборудования автоматических выключателей, используемого в зданиях. Автоматические выключатели силовые и автоматические выключатели среднего и высокого напряжения, используемые для промышленных или электрических энергосистем, проектируются и испытываются в соответствии со стандартами ANSI или IEEE серии C37. Например, стандарт C37.16 содержит перечень предпочтительных номинальных токов для автоматических выключателей в диапазоне от 600 до 5000 ампер. Настройки тока срабатывания и временные характеристики этих выключателей обычно регулируются. Для автоматических выключателей среднего и высокого напряжения, используемых в коммутационных аппаратах, подстанциях и генерирующих станциях, обычно производятся относительно немного стандартных размеров корпуса. Эти автоматические выключатели обычно управляются отдельными системами защитной релейной защиты, предлагающими регулируемые настройки тока и времени срабатывания, а также позволяющими использовать более сложные схемы защиты.

Типы

Можно провести множество классификаций автоматических выключателей, основываясь на их характеристиках, таких как класс напряжения, тип конструкции, способ отключения и конструктивные особенности.

Твердоедная

Выключатели твердотельного состояния (SSCB), также известные как цифровые выключатели, – это технологическая инновация, которая позволяет вывести технологию выключателей на качественно новый уровень, переходя от механических решений к электрическим. Это сулит ряд преимуществ, таких как значительно более быстрое срабатывание (размыкание цепей за доли микросекунды), улучшенный мониторинг нагрузки цепи и увеличенный срок службы. Выключатели твердотельного состояния разработаны для систем постоянного тока среднего напряжения и могут использовать силовые транзисторы из карбида кремния или интегрированные вентильные тиристоры с принудительной коммутацией (IGCT) для коммутации.

Магнитные

Магнитный автоматический выключатель использует соленоид (электромагнит), сила притяжения которого возрастает с увеличением тока. В некоторых конструкциях используются электромагнитные силы в дополнение к силе соленоида. Контакты выключателя удерживаются в закрытом положении защелкой. При увеличении тока в соленоиде сверх номинального значения автоматического выключателя, сила притяжения соленоида освобождает защелку, позволяя контактам размыкаться под действием пружины. Это наиболее распространенные автоматические выключатели в Соединенных Штатах.

Термомагнитные

Термомагнитный автоматический выключатель, который применяется в большинстве распределительных щитов в Европе и странах с аналогичной схемой электропроводки, сочетает в себе оба принципа: электромагнит мгновенно реагирует на резкие скачки тока (например, при коротких замыканиях), а биметаллическая пластина – на небольшие, но продолжительные перегрузки по току. Тепловая часть автоматического выключателя обеспечивает временную характеристику срабатывания, при которой выключатель отключается быстрее при больших перегрузках, но допускает кратковременное превышение тока меньшей величины. Это позволяет избежать ложных срабатываний при кратковременных пусковых токах, возникающих, например, при включении электродвигателей или других нагрузок с индуктивной составляющей. При очень сильной перегрузке по току, вызванной, например, коротким замыканием, магнитный элемент отключает автоматический выключатель без какой-либо преднамеренной задержки.

Магнитно-гидравлический

Магнитно-гидравлический автоматический выключатель использует соленоидную катушку для создания усилия, необходимого для размыкания контактов. Магнитно-гидравлический выключатель включает в себя гидравлическую задержку времени, использующую вязкую жидкость. Пружина удерживает сердечник до тех пор, пока ток не превысит номинальное значение выключателя. При перегрузке скорость движения соленоида ограничивается жидкостью. Эта задержка позволяет кратковременные скачки тока, превышающие нормальный рабочий ток, например, при пуске двигателей или включении оборудования. Токи короткого замыкания создают достаточное усилие соленоида для освобождения защелки независимо от положения сердечника, тем самым обходя функцию задержки. Температура окружающей среды влияет на время задержки, но не влияет на номинальный ток автоматического выключателя. Большой силовой автоматический выключатель, например, применяемый в цепях напряжением более 1000 вольт, может включать гидравлические элементы в механизм привода контактов. Гидравлическая энергия может подаваться насосом или накапливаться в аккумуляторах. Они отличаются от масляных автоматических выключателей, в которых масло служит средой для гашения дуги.

Спиральные устройства для общих переходов (с групповыми переходами)

Для обеспечения одновременного отключения нескольких цепей при возникновении неисправности в любой из них, автоматические выключатели могут быть выполнены в виде групповой сборки. Это очень распространенное требование для трехфазных систем, где отключение может быть трех- или четырехполюсным (с твердым или коммутируемым нейтральным проводом). Некоторые производители предлагают комплекты для группировки, позволяющие объединять группы однофазных автоматических выключателей по мере необходимости. В США, где распространены системы с разделенными фазами, в ответвленной цепи с более чем одним фазным проводником каждый фазный проводник должен быть защищен отдельным полюсом автоматического выключателя. Чтобы обеспечить отключение всех фазных проводников при срабатывании любого полюса, необходимо использовать автоматические выключатели с общим приводом. Они могут содержать два или три механизма расцепления в одном корпусе или, для автоматических выключателей небольшого размера, быть соединены между собой через рукоятки управления. Автоматические выключатели с общим приводом на два полюса часто используются в системах 120/240 вольт, где нагрузки 240 вольт (включая мощные приборы или дополнительные распределительные щиты) подключены к двум фазным проводам. Автоматические выключатели с общим приводом на три полюса обычно используются для питания трехфазных двигателей большой мощности или дополнительных распределительных щитов. Нельзя использовать отдельные автоматические выключатели для фазного и нейтрального проводов, поскольку при отключении нейтрального провода при подключенном фазном проводе возникает очень опасная ситуация: цепь кажется обесточенной (приборы не работают), но провода остаются под напряжением, а некоторые устройства защитного отключения (УЗО) могут не сработать при прикосновении к фазному проводу (поскольку некоторым УЗО требуется питание для срабатывания). Поэтому при необходимости коммутации нейтрального провода следует использовать только автоматические выключатели с общим приводом.

Шант-трип-устройства

Шантный выключатель внешне похож на обычный автоматический выключатель, а его подвижные приводы соединены с механизмом обычного выключателя для совместной работы аналогичным образом. Однако шантный выключатель представляет собой соленоид, предназначенный для срабатывания от внешнего сигнала постоянного напряжения, а не тока, как правило, от местного сетевого напряжения или постоянного тока. Они часто используются для отключения питания при возникновении событий с высоким риском, таких как срабатывание пожарной или наводнительной сигнализации, или при других электрических условиях, например, при обнаружении перенапряжения. Шантные выключатели могут быть установлены пользователем в качестве дополнительного аксессуара к стандартному выключателю или поставляться как неотъемлемая часть автоматического выключателя.

Гексафторид серы (SF6) высоковольтные

Выключатели, использующие гексафторид серы, для тушения дуги применяют контакты, окруженные газом гексафторида серы. Они наиболее часто используются для линий электропередачи высокого напряжения и могут быть интегрированы в компактное газоизолированное коммутационное оборудование. В холодных климатических условиях для высоковольтных выключателей применяют дополнительный обогрев или различные газовые смеси из-за сжижения газа SF6. В некоторых северных энергосетях в выключателях высокого напряжения пуферного типа устанавливают газовые смеси N2 и SF6 или CF4 и SF6 для тушения дуги без сжижения газа. https://ieeexplore. ieee. org/abstract/document/4080767. Минимальные температурные характеристики этих моделей достигают -50 °C на некоторых северных подстанциях.

Отключающий выключатель (DCB)

Отключающий выключатель (DCB) был представлен в 2000 году и является высоковольтным выключателем, разработанным на основе выключателя SF6. Он представляет собой техническое решение, в котором функция разъединения интегрирована в дугогасительную камеру, что устраняет необходимость в отдельных разъединителях. Это повышает доступность, поскольку открытые разъединители требуют обслуживания каждые 2–6 лет, в то время как современные выключатели имеют интервалы обслуживания в 15 лет. Внедрение решения DCB также уменьшает занимаемую площадь на подстанции и повышает надежность благодаря отсутствию отдельных разъединителей. Для дальнейшего уменьшения требуемой площади подстанции, а также упрощения ее проектирования и монтажа, в DCB может быть интегрирован датчик тока на основе оптического волокна (FOCS). Высоковольтный выключатель 420 кВ с интегрированным FOCS может уменьшить площадь подстанции более чем на 50% по сравнению с традиционным решением, использующим масляные выключатели с разъединителями и трансформаторами тока, за счет снижения количества материалов и отсутствия дополнительной изоляции.

Высоковольтные диоксиды углерода (CO2)

В 2012 году ABB представила высоковольтный выключатель на 75 кВ, использующий диоксид углерода в качестве дугогасящей среды. Выключатель, работающий на диоксиде углерода, функционирует по тем же принципам, что и выключатель SF6, и может быть изготовлен как разъединитель с функцией выключателя. Переход с SF6 на CO2 позволяет снизить выбросы CO2 на 10 тонн на протяжении жизненного цикла изделия.

"Умные" выключатели

Несколько компаний рассматривали возможность добавления мониторинга бытовых приборов с помощью электроники или использования цифровых автоматических выключателей для дистанционного контроля работы цепей. Энергетические компании в Соединенных Штатах изучают применение этой технологии для включения и выключения приборов, а также для потенциального отключения зарядки электромобилей в периоды пиковой нагрузки на электросеть. Эти устройства, находящиеся в разработке и тестировании, будут оснащены беспроводной связью для мониторинга потребления электроэнергии в доме через приложение для смартфона или иными способами.