Автоматический выключатель (АВ), - это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для проведения тока в нормальных режимах и для автоматического отключения электроустановок при возникновении токов короткого замыкания и перегрузок. Самыми распространенными и популярными на сегодняшний день являются автоматические выключатели, которые монтируются на 35-миллиметровую DIN-рейку в распределительном щите.Главным параметром АВ является номинальный ток. Это ток, значение которого в конкретной цепи считают нормальным, т.е. на который рассчитано электрооборудование. Для электроустановок жилых зданий значение номинального тока (In) автоматического выключателя может составлять 6, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 40 , 63 А. Наиболее часто применяют АВ в диапазоне 16 – 63А как для однофазных потребителей, так и трёхфазных. Так же существует такой параметр, как номинальное напряжение –220/230 В или 380/400 В. Внешний вид однофазных и трёхфазного АВ показан на рисунке 1:

АВ разрывают цепь, когда ток в ней превышает допустимую величину. Такая ситуация возникает, когда включено больше разрешённого числа потребителей или при коротком замыкании. При этом, происходят различные процессы, из-за чего приходится использовать в АВ два вида защиты - тепловую и электромагнитную.При потреблении тока больше номинала не более чем в 3 раза, срабатывает тепловой расцепитель АВ. Принцип его действия: цепь разрывает биметаллическая пластина, которая изменяет свою форму от нагрева проходящим током. Защитное устройство может довольно долго пропускать ток, немного превышающий номинальный, что позволит избежать ложных срабатываний, но при дальнейшем возрастании тока отключит нагрузку. Поэтому, тепловая защита обладает довольно большой инерционностью по отношению к превышениям тока

При значительно большем токе (при коротких замыканиях) инерционность защиты является большим минусом, потому для данного случая используют электромагнитный расцепитель. В отличии от теплового, он обладает мгновенным действием.

Электромагнитный расцепитель состоит из соленоида (электромагнита), сердечник которого ударяет в подвижный контакт и размыкает цепь. Но здесь не всё так просто. Ведь электромагнит должен сработать при определённом токе. Нижний порог, судя по тому, что тепловая защита срабатывает до 3 In, будет иметь именно это значение. А верхний порог? Вот здесь выплывает ещё одна характеристика АВ – тип автомата.

Различают АВ трех типов - «В», «С», и «D». Автоматические выключатели типа «В» имеют срабатывание электромагнитного расцепителя в диапазоне от 3 до 5 In. Тип «С» имеет диапазон от 5 до 10 In. И наконец тип «D», срабатывает в диапазоне от 10 до 50 In. На конкретном примере это будет выглядеть следующим образом - если мы имеем два автомата на 25А класса «В» и «D», то при коротком замыкании первый отключится при достижении величины тока короткого замыкания от 75 до 125 А, а второй – от 125 А и выше. Ток короткого замыкания, с которым АВ справляется без ухудшения эксплуатационных свойств, определяет «номинальную отключающую способность» - ещё одну характеристику автоматического выключателя. Чем лучше этот параметр, тем надежней выключатель. Процесс расцепления контактов происходит очень быстро, при этом ток короткого замыкания не успевает достичь максимального значения. 

Автоматические выключатели «В» и «С» устанавливают в сетях жилых зданий. Тип «В» используют, если нет бросков тока, появляющихся из-за включения каких-либо двигателей. Тип «С» рекомендуется для защиты электроприемников с небольшими пусковыми токами. И последний тип «D» устанавливают в основном в помещениях промышленного назначения, где задействованы мощные двигатели.

Важным узлом любого АВ является камера гашения дуги. Как вы понимаете, при коротком замыкании образовывается дуга, и какое короткое время она не существовала бы, её действие отрицательно сказывается на общей надёжности АВ и, следовательно, сроке его службы. Камера гашения дуги состоит из набора параллельных, изолированных друг от друга, металлических пластин. В ней дуга разбивается на последовательность множества маленьких дуг. Они сразу же гаснут из-за небольшой величины напряжения между соседними пластинами. Это классическая схема построения «искрогасителей».

Кроме автоматического отключения, АВ может отключаться и вручную. Поэтому автоматический выключатель называют коммутационно-защитным устройством. Ведь помимо свойств защиты, он предоставляет возможность обесточить цепь в ручном режиме, что необходимо при ремонте электрооборудования. 

Выбирая АВ, следует чётко знать параметры, о которых мы говорили выше – номинальное напряжение, номинальный ток и тип автомата. Маркировка АВ должна содержать наименование или торговую марку изготовителя, значение номинального напряжения, номинальный ток, буквы B, C или D, обозначающей тип выключателя, номинальную отключающую способность в амперах и схему подключения, если правильный способ соединения трудно понять из внешнего вида АВ.

УЗО - это быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке – так звучит «официальное» определение. Говоря более понятным языком, устройство отключит потребителя от питающей сети, если произойдёт утечка тока на заземляющий проводник РЕ («землю»). 
Давайте рассмотрим принцип работы УЗО. Для большей наглядности на рис. 2показана его «внутренняя» принципиальная схема.

Основным узлом УЗО является дифференциальный трансформатор тока. По другому его называют трансформатор тока нулевой последовательности. Что бы нам было проще и не запутаться в терминах, назовём это узел просто трансформатор тока. Как видно из рисунка, в данном случае он имеет три обмотки. Первичная и вторичная обмотки включены в фазный и нулевой провод соответственно, а третья обмотка – к пусковому органу, который выполняется на чувствительных реле или электронных компонентах. В зависимости от этого различают электромеханические и электронные УЗО.

Рис.2

Пусковой орган связан с исполнительным управляющим устройством, который включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. Тестовая кнопка служит для проверки и контроля исправности УЗО. Сейчас представьте, что к выходу нашей схемы подключили нагрузку. Естественно, в цепи сразу возникнет ток, который будет протекать через обмотки I и II. Для дальнейшего рассмотрения принципа работы УЗО перейдём к более наглядной схеме:

Рис.3

В нормальном режиме, при отсутствии тока утечки, в цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока протекает рабочий ток нагрузки. Именно эти проводники образуют встречно включенные первичную и вторичную обмотки трансформатора тока. Данные токи будут равны по величине и противоположны по направлению: I1 = I2. Они наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Получается, что результирующий магнитный поток равен нулю, ток в третьей (исполнительной) обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю и пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя и УЗО функционирует в нормальном режиме.

При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроустройства , на который произошел пробой изоляции по фазной (первичной) обмотке трансформатора тока кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток - ток утечки (на схеме обозначен IΔ), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным: I1-I2= IΔ). Получается, что токи у нас неравны, следовательно, неравны и магнитные потоки, которые уже не компенсируют друг друга. Из-за этого в третьей обмотке возникает ток. Если этот ток превышает установленное значение, то срабатывает пусковой орган, воздействует на исполнительный механизм 3. Исполнительный механизм, состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь, в результате чего установка отключается от сети. Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена кнопка тестирования 4. Она включена последовательно с резистором. Номинал резистора подобран таким образом, что бы разностный ток был равен паспортному току утечки срабатывания УЗО (о параметрах УЗО поговорим позже). Если при нажатии на эту кнопку УЗО срабатывает, значит, оно исправно. Как правило, это кнопка обозначается «TEST».

Трёхфазные устройства защитного отключения работают примерно по такому же принципу, как и однофазные. В трехфазных УЗО через окно сердечника проходят четыре провода - три фазных и нулевой. Принципиальная электрическая схема простейшего трехфазного УЗО приведена на рисунке 4.

Трёхфазное УЗО включает в себя выключатель 1, которым управляет элемент 2, получающий сигнал на отключение с вторичной обмотки 3 трансформатора тока 4, сквозь окно которого проходят нулевой рабочий провод N и фазные провода L1, L2 и L3 (5). При равенстве нагрузки в нулевом и фазном (или в трех фазных) проводах их геометрическая сумма равна нулю (ток в фазном проводе однофазного УЗО течет в одном направлении, а ток в нулевом проводе точно такого же значения течет в противоположном направлении). Поэтому тока во вторичной обмотке трансформатора тока нет. При утечке тока на заземленный корпус электроприемника, а также при случайном прикосновении стоящего на земле или на токопроводящем полу человека к фазному проводу электрической сети, равенство токов в первичной обмотке трансформатора тока нарушится, поскольку по фазному проводу, помимо тока нагрузки, будет проходить ток утечки, и в его вторичной обмотке появится ток – точно так, как и рассматриваемом выше описании работы однофазного УЗО. Протекающий во вторичной обмотке трансформатора ток воздействует на управляющий элемент 2, который через выключатель 1 отключает потребителя от питающей сети. Внешний вид трёхфазного УЗО показан на рисунке 5:

Рис. 4

Рис.5

Рассмотрим практические схемы включения УЗО в распределительных щитах. Схема включения УЗО при однофазном вводе (рисунок 6). Здесь применена схема включения с разделённой нулевой (N) и «земляной» (РЕ) шинами. Как Вы видите на рисунке, УЗО (5) установлено после вводного автоматического выключателя, а после него установлены автоматические выключатели для защиты и коммутации отдельных шлейфов. Забегая вперёд, хочу отметить, что наличие связки автомат – УЗО обязательно, так как УЗО не обеспечивает токовую защиту, как тепловую, так и от коротких замыканий. Вместо этой «комбинации» - автомат – УЗО, можно использовать одно универсальное устройство. Впрочем, об этом немного позже. 

Рис.6

Схема включения УЗО при трёхфазном вводе вводе (рисунок 7). В отличие от предыдущей схемы здесь обеспечивается защита как однофазных, так и трёхфазных потребителей. Кроме того, используется совмещение по вводу нулевой и «земляной» шин (PEN). Прибор учёта электроэнергии – электросчётчик – включен между вводным автоматом и УЗО. Нужно помнить, что все коммутационные аппараты, которые установлены до прибора учёта в обязательном порядке подлежат пломбировке энергоснабжающей организацией. Следовательно, конструкция вводного автоматического выключателя должна предусматривать эту возможность. 

Рис. 7

До этого разговор шёл только об электромеханических УЗО. Но упоминалось о том, что иногда встречаются электронные устройства. В принципе, электронное УЗО строится по той же схеме, что и электромеханическое. Вместо чувствительного магнитоэлектрического элемента используют устройство сравнения (например, самый распространенный пример - компаратор). Для такой схемы нужен свой встроенный блок питания – ведь нужно чем-то питать электронную схему. Разностный ток имеет очень малую величину, следовательно, его нужно усиливать и преобразовывать в уровень напряжения, которое подается на устройство сравнения – компаратор. Всё это, конечно, понижает общую надёжность устройства, по сравнению с электромеханическим здесь как раз тот случай – чем проще, тем лучше. Да и честно говоря, мне пока вообще не попадались сертифицированные электронные УЗО. Следовательно, сказать что-то хорошее или плохое про них я не могу. Поэтому, оставим в стороне электронные УЗО и остановимся на одном из главных моментов в рассмотрении электромеханических устройств защитного отключения – их параметров:

УЗО имеют следующие основные параметры:
• тип сети – однофазная (трёхпроводная) или трехфазная (пятипроводная)
• номинальное напряжение -220/230 – 380/400 В
• номинальный току нагрузки – 16, 20, 25, 32, 40, 63, 80, 100 А
• номинальный отключающий дифференциальный ток – 10, 30, 100, 300 мА 
• тип дифференциального тока – AC (переменный синусоидальный ток, возникший внезапно либо медленно нарастающий), A (как и AC, дополнительно - выпрямленный пульсирующий ток), B (переменный и постоянный), S (задержка времени срабатывания, селективное), G (как и селективное, только время задержки меньше).

Необходимо отметить один важный момент, касающийся параметров УЗО. Многих вводит в заблуждение номинальный ток нагрузки, нанесённый на корпусе устройства, и его принимают за такой же параметр, как и в автоматическом выключателе. Однако этот параметр в УЗО характеризует только его «пропускную токовую способность», может этот выражение и не совсем корректное, но я его ввёл для доступности понятия термина «номинальный ток нагрузки УЗО». Ток нагрузки УЗО ограничить не в состоянии и его необходимо защищать от токовых перегрузок и токов короткого замыкания автоматическими выключателями, которые как раз и обеспечивают защиту и от перегрузки по току, и от токов КЗ. Ток нагрузки УЗО следует выбирать так, чтобы он был на ступень (номинального ряда токов) больше номинала тока автоматического выключателя защищаемой линии. То есть, если имеется нагрузка, защищенная автоматическим выключателем на ток 16 Ампер, то УЗО следует выбирать на ток нагрузки 25 Ампер.

Здесь возникает логичный вопрос – а почему бы не объединить в одном корпусе и автоматический выключатель и УЗО, особенно в случае, когда УЗО задействовано на защиту только одного силового шлейфа? Ведь в этом случае они всё равно работают «в паре». Этот момент был немного затронут в предыдущей статье. Что ж, вопрос вполне закономерный и такие устройства, конечно, существуют. Называются они дифференциальные автоматические выключатели или просто диффавтоматы. 

Как и УЗО, диффавтомат имеет такое же количество клемм – фазный (или трёхфазные) и нулевой и кнопку «TEST». Если останавливается на его внутреннем устройстве, то что-то новое здесь сказать сложно. Это автоматический выключатель и УЗО в «одном флаконе». Стоимость диффавтоматов довольно высокая. Например, трёхфазные модели известных зарубежных производителей имеют стоимость порядка 100 Евро. Относительно дорогое удовольствие. Однако связка АВ+УЗО будет иметь примерно сопоставимую стоимость, да и вместо четырёх стандартных 17,5 мм модулей на DIN-рейке(при трёхфазном варианте ), займет восемь. Так что в некоторых случаях диффавтоматы всё же предпочтительнее, особенно если в распределительном щитке имеется проблема наличия свободного места.

Для проверки УЗО и диффавтоматов применяют различные специализированные приборы. Однако простейшую проверку можно провести «подручными средствами». Для этого понадобится магазин сопротивлений и миллиамперметр на соответствующий ток. Миллиамперметр включают последовательно с магазином сопротивлений. Другой конец миллиамперметра подключают к «земле» - РЕ, а магазин сопротивлений, установленный в положение не менее 10 кОм – к выходному фазному проводу УЗО. Постепенно уменьшают сопротивление, одновременно контролируя ток до тех пор, пока не произойдёт срабатывание УЗО. Ток, при котором УЗО сработало и будет отключающий дифференциальный ток.

Такая схема проверки довольно примитивная и не позволяет в полной мере провести проверку УЗО и диффавтоматов. Кроме того, этот способ не совсем приемлемый в плане обеспечения электробезопасности. Прибор MRP-200 позволяет провести комплексную проверку устройств защиты, измерить не только дифференциальный ток, но и время отключения, позволяет работать с УЗО различных типов. Кроме того, он дополнительно имеет и другие функции, например, позволяет измерить петлю «фаза-ноль». Прибор довольно удобный и простой в обращении. «Крокодилом» подключаемся к «земле» - РЕ, а щупами становимся на соответствующие клеммы УЗО. Внешний вид прибора показан на рисунке:

Рис. 8

На этом наш краткий обзор устройств защиты и коммутации будем считать оконченым. Если у Вас есть вопросы, замечания, дополнения – пишите их в комментариях, продолжим обсуждение этого вопроса.