03.05, 05.05.22
ГР 11, "Електротеніка"
Тема "Автоматичні вимикачі"
Автоматичний вимикач (автомат) - апарат, призначений для нечастих замикань і розмикань електричного кола й тривалого проходження по ньому струму, а також для автоматичного розмикання ланцюгів з появою в них короткого замикання, перевантажень по струму, спадання напруги нижче припустимого, зміні напрямку струму або потужності.

Застосування вимикачів замість плавких запобіжників дає наступні переваги:
- при перевантаженні або короткому замиканні вимикач відключає всі фази ланцюгів, що захищається їм, завдяки чому виключається можливість однофазної роботи трифазних двигунів;
- зменшуються простої, тому що ввімкнути той вимикач, що спрацював швидше, чим замінити згорілий запобіжник;
- вимикачі мають захисні характеристики спрацьовування, що забезпечують більш досконалий захист, чим плавкі запобіжники.
Разом з тим автоматичні вимикачі мають більш високу вартість, чим запобіжники. Залежно від призначення й необхідних параметрів автоматичні вимикачі розрізняють по потужності (струму), числу полюсів (одно-, двох- і триполюсні), виконанню захисних розчеплювачів, швидкодії і конструктивному виконанню.

До автоматів висувають наступні вимоги:

- струмоведучий ланцюг автомата повинен пропускати номінальний струм протягом якого завгодно тривалого часу, а також витримувати вплив більших струмів КЗ;
- автомат повинен забезпечувати без ушкоджень багаторазове відключення граничних струмів КЗ;
- для забезпечення електродинамічної й термічної стійкості енергоустановок, зменшення руйнувань, що викликаються струмами КЗ, автомати повинні мати малий час відключення;
- елементи захисту повинні забезпечувати необхідний час спрацьовування й селективність.
У будь-якому автоматі є наступні основні вузли: струмоведучий ланцюг, дугогасильна система, привід автомата, механізм вільного розчіплювання й елементи захисту - розчеплювачі.
Струмоведучий ланцюг. Найбільш важливою частиною струмоведучого ланцюга є контакти. При номінальних струмах до 200 А застосовується одна пара контактів, які для збільшення дугостійкості можуть бути облицьовані металокерамікою. При струмах більш , ніж 200 А часто застосовуються пари головних і дугогасильних контактів. Основні контакти облицьовуються сріблом або металокерамікою (срібло, нікель, графіт). Дугогасильні покриваються металокерамікою (срібло, вольфрам і срібло, нікель).

Дугогасильна система. В автоматах застосовуються напівзакрите й відкрите виконання дугогасильних пристроїв. В універсальних автоматах масового застосування широко використовується деіонна дугогасильна решітка зі сталевих пластин. У решітці дуга виводиться на пластини й ділиться між ними за допомогою магнітного поля напруженістю Н, створюваного спеціальною системою, на короткі дуги. 
Феромагнітні пластини застосовуються на постійному й змінному струмі частотою 50 Гц. У цьому випадку сила, що діє на дугу, переміщає її в решітку й перешкоджає виходу дуги з неї. Це є найбільшою перевагою феромагнітних пластин. При цьому дуга горить із мінімальним викидом іонізованих і нагрітих газів з дугогасильного пристрою. Недоліком дугогасильної решітки є згорання пластин у повторно-короткочасному режимі при струмі 600 А і більше. Для зменшення цього процесу пластини покривають міддю або цинком.
Приводи. Привод повинен забезпечити зусилля на контактах, необхідне для включення автомата у найважчому випадку - на існуюче КЗ. Приводи можуть бути ручні й електромеханічні. Ручні приводи застосовуються при номінальних струмах до 200 А. При струмах до 1 кА застосовуються електромагнітні приводи, що забезпечують необхідну швидкість зростання тиску в контактах. Недоліком електромагнітного привода є великі швидкості руху й удари в механізмі, які можуть призвести до вібрації контактів. В автоматах на струми 1500 А і вище бажане застосування електро-рухового привода.
Розчеплювачі. Розчеплювач - вузол автомата, що контролює заданий параметр і подає сигнал на відключення при відхиленні цього параметра від встановленого значення. Розрізняють такі конструкції розчеплювачів: теплове реле (біметалічна пластина), електромагнітний і напівпровідниковий.
Тепловий розчеплювач забезпечує захист електричних об'єктів у режимі теплового перевантаження. Біметалічна пластина нагрівається за рахунок проходження по ній струму, звивається й розриває ланцюг живлення електроустаткування. Однак ці розчеплювачі мають наступні недоліки:

- із зростанням струму відключення, збільшується зусилля, необхідне для розчеплення автомата;
- тепловий розчеплювач застосовується при струмах до 200 А;
- витримка часу теплових розчеплювачів залежить від температури навколишнього середовища;
- мала термічна стійкість теплових розчеплювачів визначає малу допустиму тривалість КЗ, що затруднює отримання необхідної селективності.

Електромагнітний розчеплювач забезпечує максимальний ( по струму КЗ) і мінімальний (по напрузі) захист. При проходженні по ланцюгу котушки електромагнітного розчеплювача номінального струму, пружина утримує якір електромагніту розімкнутим, а головні контакти ГК - замкненими. При підвищенні струму в ланцюзі котушки сила тяги електромагніту зростає до величини, що перевершує силу утримуючої пружини. Якір замикає магнітний ланцюг електромагніту, звільняючи засувку і розмикаючи ГК.
Більш досконалим є захист за допомогою напівпровідникових розчеплювачів, які широко використовуються у сучасних автоматах.
Конструкції автоматів по виду захисту діляться на автомати з електромагнітними, напівпровідниковими розчеплювачами (максимального струму); автомати з комбінованим розчеплювачем (електромагнітним і тепловим); автомати з розчеплювачем мінімальної напруги (нульовий захист).

Розглянемо пристрій автомата з комбінованим розчеплювачем. Це можуть бути автомати типу АЕ-2000, А-3700, ВА й ін. Вручну включають і відключають автомат за допомогою рукоятки. Для включення автомата рукоятку переводять униз.Потім рукоятку переміщають нагору. При цьому під дією пружини важелі переміщуються нагору відносно нейтрального положення. Автомат включається і струм тече через замкнені контакти, котушку електромагнітного розчеплювача й нагрівальний пристрій теплового розчеплювача. Аналогічно відбувається відключення автомата при струмах перевантаження. При цьому вільний кінець біметалічного розчеплювача переміщується вниз і зуб виходить із зачеплення. Ручне відключення автомата відбувається при переміщенні рукоятки униз. При цьому кінець пружини також переміщується вниз, а важелі проходять через нейтральне положення, відключаючи контакти.
Виникаюча при розмиканні контактів автомата електрична дуга гаситься в дугогасильній решітці. Підвищення тиску усередині замкненого об’єму, утвореного ізоляційною основою і кришкою, сприяє гасінню дуги. Електромагнітний розчеплювач максимального струму спрацьовує практично миттєво при досягненні струму відсікання (відсікання відбувається миттєво при десятикратному струмі й більше), а час спрацьовування теплового розчеплювача при перевантаженнях, менших струмах відсікання, визначається захисними характеристиками. Серія вимикачів складається із чотирьох величин (1, 2, 3, 4) на номінальні струми відповідно 160, 250, 400 і 630 А.
Розчеплювачі струмового захисту виконані на напівпровідникові (РН) і електромагнітних (РЕ) елементах. Вимикачі випускаються також і в неавтоматичному виконанні.
Великою перевагою цього вимикача є те, що як напівпровідникові, так і теплові розчеплювачі максимального струму явлюяться знімними блоками. По роду захисту вимикачі можуть бути призначені для селективного захисту (3 і 4 величини) і струмообмеження (усі величини). Параметри по струму і по часу спрацьовування напівпровідникових максимальних розчеплювачів можуть регулюватися в широких межах. Комутуючий пристрій складається з рухливих і нерухливих контактів з одним контактним проміжком, виготовлених з металокерамічної композиції на основі срібла. Дугогасильні камери з деіонною решіткою розташовані над контактами кожного полюса вимикача і являють собою набір закріплених в ізоляційній оправі сталевих пластин, за допомогою яких відбувається поділ дуги на ряд послідовно з'єднаних коротких дуг. 
Механізм керування вимикачем виконаний за принципом ламких важелів і влаштований так, що забезпечує моментальне замикання й розмикання контактів при оперуванні вимикачем, а також моментальне розмикання контактів при автоматичному спрацьовуванні. Вимикачі випускаються з ручним або з дистанційним малогабаритним електромеханічним приводом.
ВА — автоматичні вимикачі загального застосування на номінальні струми до 630 А. Номенклатура вимикачів типу ВА надзвичайно широка. Технічні характеристики визначають дві цифри, що коштують після букв ВА. ВА-14 — для захисту електричних кіл загального й побутового призначення напругою до 380 В змінного струму частотою 50 і 60 Гц. Автомати одно-, двох-, триполюсні, з тепловим і електромагнітним розчеплювачем. ВА-16 - для захисту освітлювальних ланцюгів з номінальною напругою до 380 В змінного струму частотою 50 і 60 Гц.
Автомати однополюсні, з тепловим і електромагнітним розчеплювачами - неструмообмежуючі. ВА-51, ВА-52 - для захисту в режимах короткого замикання, перевантаженнях і неприпустимого зниження напруги в електричних установках з номінальним напругу до 660 В змінного струму частотою 50 і 60 Гц і до 400 В постійного струму. Можуть бути встановлені на висоті до 4300 м над рівнем моря.
Розчеплювачі електромагнітний і тепловий. ВА—53 - для захисту асинхронних двигунів від КЗ і перевантажень у ланцюгах з номінальною напругою до 660 В змінного струму частотою 50 і 60 Гц і 400 В постійного струму. Автомати з напівпровідниковим розчеплювачем - струмообмежуючі.