Автоматични прекъсвачи

Както е известно, автоматичните прекъсвачи (АП) са електромеханични технически устройства, които изпълняват функция на защита и се използват за автоматично изключване на електрически схеми от ненормални явления като ток на претоварване, късо съединение, минимално напрежение, както и по-рядко за ръчно превключване на вериги.

Във всички съвременни сгради като правило се използват АП с възможност за монтаж върху DIN-рейка (DIN-шина). Тези апарати са много надеждни, имат малък размер и добре се вписват в помещенията и таблата. Почти всички притежават степен на защита от механично въздействие IP 00 и IP 20.

На пазара се предлагат АП, предвидени за използване в различни климатични пояси, за използване в различни места по механическо въздействие, по взривоопасност и различна степен на външни въздействия. Особеностите на конструкцията и принципът им на действие се определят от тяхното предназначение и приложение.

Сред най-често използваните АП в сгради са миниатюрните автоматични прекъсвачи или МСВ (Miniature Circuit Breaker). Групата включва прекъсвачи с номинален ток до 100 А, но се предлагат и модели до 125 A. Обикновено тези АП не предлагат възможности за регулиране на изключвателните характеристики.

В Европа предимно се използват автоматични прекъсвачи с термо- или магнитен принцип на действие. Масово използваните комбинират двата начина за ограничаване големината на тока, протичащ по електрическата верига.

При претоварване или късо съединение АП изключва независимо от това дали лостът му стои или се удържа във включено положение. Съществуват и полупроводникови прекъсвачи с голяма стабилност на параметрите на сработване и удобство при настройка.

Устройство на АП
Конструктивно автоматичните прекъсвачи се изпълняват в диелектрически корпус. В АП за неголям ток често има устройство за монтаж на DIN-шина. АП имат следните възли: контактна система, дъгогасителна система, разцепител, механизъм за управление и механизъм за свободно разединяване.

Когато подвижният контакт е затворен, се натяга пружина, която осъществява бързо отваряне на контактите при изключване. Механизмът за отваряне е така устроен, че се задейства от топлинния и от електромагнитния механизъм. Някои АП имат обратнозависима от тока задръжка на времето на изключване. Задръжката на изключване се намалява с увеличаване на тока през АП.

Полупроводниковият АП допуска прецизно регулиране на следните параметри: номинален ток, на късо съединение, време за сработване в зоната на претоварване, време за сработване в зоната на късо съединение (само за селективно изключващите).

Полупроводниковите АП се състоят от измерителен механизъм, електронен блок, изходен електромагнит. Като измерителен елемент се използва токов трансформатор или магнитен усилвател.

Изключвателна способност и каскадиране на прекъсвачите
Каскадирането е термин, който се прилага към последователното включване на два прекъсвача в дадена верига, като при това поне висшестоящият прекъсвач има токоограничаване. Всеки АП има някакво токоограничаване, доколкото изключването на тока на късо съединение винаги е свързано с възникване на дъга.

Съвременните производители на прекъсвачи обаче разработват специални технологии, за да увеличат възможно най-много ефекта на токоограничаване. Основно целта на всички тези технологии е намаляване на времето необходимо на контактите да се отворят и увеличаване скоростта на раздалечаването им.

Ефектът от каскадирането е осезателен, при положение че в каскадата са включени повече от един АП. Това се основава на факта, че токоограничаващото действие на един прекъсвач не е непременно свързано с изключване.

Когато се получи късо съединение с достатъчно голям ток след долустоящия прекъсвач, бързодействащите елементи от защитите и на двата прекъсвача започват отделяне на техните контакти, възниква дъга и се осъществява токоограничаването.

При това ако прекъсвачите са подбрани със селективни защитни характеристики, долустоящият прекъсвач ще изключи по-бързо и контактите на висшестоящия ще се върнат във включено положение, като така ще се съхрани и принципът на селективност.

За съжаление, ефектът от последователното токоограничаване не е пропорционален, а по-малък, защото ефектът на токоограничаване намалява с намаляване на стойността на очаквания ток на късо съединение. Конструктивно трудно се постига каскадиране с АП.

Кабелите са чувствителни към термичното действие на протичащия през тях ток. Температурата на кабела остава постоянна при постоянен по големина ток, протичащ през период от 2-6 часа в зависимост от кабела. Производителите на кабели указват максималния работен ток на кабела, при различно полагане, така че температурата му в установен режим да не превишава максимално допустимата за дадения тип кабел.

При продължително превишаване на максимално допустимия работен ток температурата му се покачва и изолацията на кабела старее бързо и в определен момент се стига до пробив. В режим на късо съединение с времетраене до 1,0 s отделената в резултат от протичане на тока топлина няма време да се отдели в околното пространство, а отива изцяло за повишаване температурата на кабела.

Тук е мястото да се спомене, че има случаи, когато стопяемите предпазители са за предпочитане пред автоматичните прекъсвачи, въпреки че не предлагат толкова прецизни защитни характеристики и удобство при експлоатацията. Преди всичко, добре подбраните стопяеми предпазители могат да осигурят по-голямо бързодействие, от който и да е АП. За вериги с ниска термична устойчивост това е от решаващо значение.

Селективност на прекъсвачите
Принципът на селективност изисква, когато два прекъсвача са разположени един след друг по дадена верига и се появи късо съединение или претоварване след долустоящия, повредата да бъде изключена от последния.

Висшестоящият прекъсвач трябва да изключи само в случай на отказ на долустоящия. Ако при някаква стойност на тока на повредата имаме изключване на висшестоящия, или и на двата прекъсвача, тогава има “неселективно изключване”.

Селективността се постига, като се подберат подходящи характеристики на двата прекъсвача. Съгласуването може да се постигне, като се подбират две основни групи параметри на защитните характеристики на прекъсвачите:

Съгласуване по ток. Токовете на термичната и на бързодействащата защита на висшестоящия прекъсвач се избират по-високи от тези на долустоящия.

За най-простите и масово използвани АП - миниатюрните прекъсвачи, може да се каже, че съгласуването по ток се постига между всеки две съседни нива на стандартните номинални токове, стига типовете на изключвателните им криви да са еднакви или да се подреждат по възходящ ред в последователност на характеристиките, например B-C-D.

Съгласуване по време. Може да се постигне, когато бързодействащата защита на висшестоящия прекъсвач има закъснение по време. Съгласуването по време е допълнение към съгласуването по ток, така че изискванията за настройка по ток остават същите.

Когато прекъсвачите са съгласувани само по ток, селективността съществува до определена граница - до точката, в която характеристиките на мигновената защита на двата прекъсвача се приближат твърде много една до друга.

Доближат ли се характеристиките, не може да се разчита на селективност или когато токът е толкова голям, че задействат мигновените защити и на двата прекъсвача. Това става най-често при късо съединение, когато прекъсвачите са близо един до друг.

Производителите на прекъсвачи разработват таблици за селективност на своите прекъсвачи или софтуерни продукти, които позволяват лесно и надеждно избиране на двойки селективни прекъсвачи с отчитане границата на селективност. Единствено резултатите от фабричните протоколирани изпитания могат да гарантират такова разширение на селективността.

Подобряването на селективността се постига при използване на токоограничаващи прекъсвачи. Това става, като се изберат токоограничаващи АП с такива характеристики, че долустоящият АП да ограничи тока на късо съединение дотолкова, че точката на задействане на висшестоящия АП да се придвижи наляво по характеристиката до зона с по-голямо времезакъснение.

Основни насоки при избора
Съществуват много показатели на електрическата верига, от които може теоретично да се определи максималното време на изключване от части от секундата до десетки минути. Параметрите за настройка или избор трябва така да се изчислят, че да се избегнат лъжливите изключвания. Ако токът не е опасен, може изключването никога да не стане.

Всички АП трябва да се избират по няколко критерия. Първият от тях е тяхното приложение. Следващият критерий за избор включва данни за инсталацията, в която ще се монтира АП.

Необходимо е да са известни системата за заземяване (TT, TN, IT), токът на късо съединение в точката на поставяне на АП, който трябва да бъде по-малък от изключвателната способност на прекъсвача (6, 10, 20 кА), както и номиналното напрежение на електрическата мрежа. Друг критерий за избор е защитната характеристика на АП, изразяваща се чрез неговата крива на изключване и броя на полюсите, определен от товарите.

• Icu (А) - максимална изключвателна възможност на прекъсвача (какъв ток може да понесе, без да се разруши). Стойността на Icu трябва да бъде по-висока от изчисления ток на късо съединение в мястото на инсталиране на АП.
• Ics (%Icu) - работна изключвателна възможност. Колкото е по-висока стойността на Ics, толкова по-дълъг живот ще има АП. Важна е и характеристиката на АП. Прекъсвачи от категория “В” се избират за приложения, към които има специфични изисквания за селективност на инсталацията.
• Icw (A) - ток на термична устойчивост. По отношение на АП с характеристика “В” е важно да се обърне внимание на периода, за който е зададен токът на термична устойчивост.

Характеристики за избор на АП
Съществуващото разнообразие от видове АП трудно би могло да се класифицира в строго дефинирани приложни области. Прието е в групата на прекъсвачите с номинално напрежение до 1000 V, които се използват най-вече в битови, обществени електроинсталации и електрически вериги в областта на леката индустрия, да бъдат включени следните видове:

Характеристика “MA” - Отсъствие на топлинен блок. Има електрически вериги, в които той е ненужен. Например защитата от претоварване на електродвигател често се осъществява с максималнотокова защита, а АП изключва само тока на късо съединение.

Характеристика “А” - Топлинният блок сработва при 1.3 пъти номиналния ток. При това времето за изключване ще е около 1 час. При ток, превишаващ 2 пъти номиналния, в действие може да влезе електромагнитният блок, сработващ примерно за 0,05 s. Но ако при 2 пъти превишаване на тока електромагнитният блок още не е сработил, то топлинният блок ще го изключи след около 20-30 s.

При 3 пъти превишаване на тока гарантирано сработва електромагнитния блок и то за части от секундата. АП с характеристика “А” се монтират във вериги, където кратковременно могат да възникват претоварвания в нормален работен режим, например полупроводникови устройства.

Характеристика “В” - Характеристиката на тези АП се отличава от “А” по това, че електромагнитният блок сработва при 2 и повече пъти превишаване на номиналния ток. Времето за сработване е от порядъка на 0,015 s, а топлинният блок сработва за 3-4 s при 3-кратно претоварване.

Гарантирано изключване има при 5-кратно претоварване за променлив ток и 7.5 пъти за постоянен ток. Подходящи са за чисто активно съпротивителни товари - печки, бойлери, лампи с нажежаема жичка и други подобни.

Характеристика “С” - АП с тази характеристика се отличават с по-голяма претоварваща способност в сравнение с “В” и “А”. Минималният ток на сработване на електромагнитния блок е 5 пъти номиналния, а топлинният блок ще заработи за 1.5 s.

Гарантираното сработване на електромагнитния блок е 10 пъти за променлив ток и 15 пъти за постоянен ток. АП с характеристика “С” са универсални и се използват за смесено натоварване, например за битови контакти, луминесцентни и живачни лампи. Позволяват включване на малки уреди с електродвигатели. Пусковият ток може да бъде до 5 пъти по-висок от номиналния.

Характеристика “D” - Тази група е с най-голяма претоварваща способност. Минималният ток на сработване на електромагнитния блок е 10 пъти номиналния, топлинният блок започва да работи при 1.45 и при 10 пъти претоварване ще сработи с време 0.4 s.

Гарантираното сработване на електромагнитния блок е 15 пъти за променлив ток и 20 пъти за постоянен ток. Използва се главно за асинхронни електродвигатели с голям пусков ток, големи трансформатори, електрожени и всички други устройства с пусков ток до 10 пъти номиналния. Приложение намират и при понижаващи трансформатори за осветление, маломощни електродвигатели, агрегати и др.

Характеристика “K” - Отличава се с най-голяма разлика на заработването на електромагнитния блок за вериги на променлив и постоянен ток. Минималният ток на сработване е 8 пъти номиналния. Гарантираното сработване на електромагнитния блок е 10 пъти за променлив ток и 12 пъти за постоянен ток. Времето на сработване на електромагнитния блок е до 0,02 s.

Топлинният блок започва да работи още при 1.02 - 1.05 пъти номиналния ток. Заради посочените особености в характеристиката, тази група АП са много подходящи за защита на чисто индуктивни товари.

Характеристика “Z” - Тук има различия в тока на гарантирано сработване за променлив и постоянен ток. Минималният ток за заработване на електромагнитния блок е 2 пъти, гарантирано сработване при 3 пъти номиналния ток за променлив и 4.5 пъти за постоянен ток, за време 0.02 s. Топлинният блок е както на АП “Z” и започва да работи още при 1,02 - 1,05 пъти номиналния. Този тип АП се използва главно за защита на електронни устройства.

Изборът на АП се прави от проектантите на база изчисление на електрическите режими на инсталацията и удовлетворяване и на следните изисквания:

Избор на номиналния ток (In - 6, 10, 16, 20, 25, 32 А, 63 А) на АП въз основа сечението и начина на полагане на проводника.
• за номинален ток In = 6 А, крива “С” - за проводник min 1 мм2
• номинален ток In =10 А, крива “С” - за проводник min 1.5 мм2
• номинален ток In = 16 А, крива “С” - за проводник min 2.5 мм2
• номинален ток In = 25 А, крива “С” - за проводник min 4 мм2

Избор на изключвателната възможност Icn - изключвателна възможност най-често 6 кА или 10 кА на АП, задължително по-висока от изчисления максимален ток на късо съединение. Това, както пояснихме, е необходимо, за да не се разруши АП.

В практиката често се случва подборът на автоматичния прекъсвач да бъде направен, без да бъдат извършени всичките необходими изчисления (липса на схема или изчисления, ремонт на съществуваща инсталация и др). Практически може да се ориентирате по написаното по-горе.

Нормативни изисквания
В областта на автоматичните прекъсвачи са в сила два стандарта - единият, БДС EN 60 898, се отнася за автоматичните прекъсвачи за приложение в бита, а вторият - БДС 60 947-2, регламентира изискванията по отношение на автоматичните прекъсвачи за промишлено приложение.

Ако монтирането се извършва в електрически табла, предназначени за обслужване от неквалифицирани лица, автоматичните прекъсвачи трябва да отговарят на стандарта БДС EN 60898. В други електрически табла, обслужвани от електротехнически персонал, автоматичните прекъсвачи са съгласно БДС EN 60947, а когато автоматичните прекъсвачи са с вградена дефектнотокова защита, те трябва да отговарят на БДС EN 61009.