Съвременни тенденции при автоматичните прекъсвачи

В този брой на списание Строители предлагаме на вниманието на читателите обзорен материал, посветен на автоматичните прекъсвачи. Спираме се накратко на техните най-важни особености, принципи на работа, технически параметри, възможности за защита, селективност. Отправяме поглед и към съвременните тенденции при тази техника. В следващите броеве на списанието, ще предложим и допълнителна информация, свързана с конкретни производители и апаратура.

Основният принцип на действие при автоматичните предпазители е, че токът преминава по проводима пластинка, направена от два слепени един към друг метала с различно линейно разширение (биметална пластинка). При нагряване единият метал се разширява повече от другия, пластинката се огъва, при което електрическата верига се прекъсва. Когато пластинката изстине, формата й се възстановява и след натискане на превключвателя предпазителят се включва отново. Предназначението им е да защитават електрическите вериги от повреди, причинени от претоварвания и къси съединения. За разлика от стопяемите предпазители, които сработват еднократно, след което се налага да бъдат ремонтирани или заменени с нови, прекъсвачите поддържат цикличен режим на работа. След като сработят, ръчно или автоматично, се връщат в изходно положение, с което се подновява нормалната им работа. На повечето модели има индикация за включено и изключено положение. Основната индикация е цветова. Автоматичните прекъсвачи се предлагат в широк диапазон от типоразмери - от малки устройства (0.1А), предназначени за защита на отделни електрически уреди, до мощна комутационна апаратура с индустриално приложение.

Друг основен признак за класификация на прекъсвачите е работното им напрежение. На базата на напрежението те се разделят в три категории - за ниско, средно и високо напрежение. Комутационната апаратура, предназначена да защитава електрическите вериги ниско напрежение от претоварвания и къси съединения, се използва под наименованието“ автоматични прекъсвачи“. За разлика от тях, защитната комутационна апаратура в мрежи средно и високо напрежение се нарича само прекъсвачи. Освен за различни номинални токове и напрежения, автоматичните прекъсвачи биват едно- и многополюсни в зависимост от системата в която се използват, монофазна или трифазна. Многополюсните прекъсвачи могат да се използват за едновременно разединяване на фазите в една електрическа верига.

Принцип на работа
Автоматичните прекъсвачи се произвеждат въз основа на два основни принципа. За първия в конструкцията на прекъсвача е имплементирана индукционна бобина. При увеличаване на тока във веригата се индуцира магнитна сила, при нарастването на която се създават предпоставки за прекъсване на веригата. По логика, автоматичните прекъсвачи са нормално затворени, т.е. когато големината на тока във веригата е близка до номиналната, контактите им са в затворено положение и токът протича свободно. С увеличаването на тока във веригата, индуцираната магнитна сила също се повишава. В процеса на увеличаване на магнитната сила се достига до момент, в който големината й е достатъчна, за да преодолее съпротивлението на механизма, чрез който контактите на автоматичния прекъсвач се държат затворени. При отварянето на контактната система на автоматичния прекъсвач веригата се прекъсва. Втората основна конструктивна схема се различава по наличието на биметална пластина. Принципът на работа на такъв автоматичен прекъсвач се основава на повишаването на температурата в биметалната пластина в резултат на увеличаването на големината на тока в електрическата верига. Биметалната пластина е съставена от два разнородни метала с различно линейно разширение при загряване. Вследствие от повишаването на температурата й, биметалната пластина се деформира и изключва веригата. Преимуществено се използват автоматични прекъсвачи, в които са вградени и двете описани техники за прекъсване на електрическите вериги. Използването на подобни автоматични прекъсвачи с комбинирано действие допринася за значителни възможности, за оптималния им избор, съобразно изискванията и приложението им.

Избор на параметрите на автоматични прекъсвачи
След като са знаят оперативните изисквания към прекъсвачите, работното напрежение и максимално импулсно напрежение и максималните товари на електрическите табла, и е избран типът на прекъсвачите, следва изборът да се детайлизира, като се определят основните параметри по ток. Критериите при избора са термична и електродинамична устойчивост на прекъсвачите в режим на късо съединение.

Съгласуване на защитните криви на прекъсвачите с характеристиките на защитаваното оборудване и тоководещи части за целия диапазон от работния ток до максималния ток на късо съединение. Другото много важно нещо е осигуряването на селективност при изключване на последователни прекъсвачи и други защитни устройства. Системата трябва така да е изградена и съобразена, че да изключи прекъсвача, който е най-близо до късото съединение. Това се постига основно чрез подбиране на подходящи амперажи и криви на задействане на автоматичните прекъсвачи.

Изключвателна способност на прекъсвачите и селективност на изключване
Селективността е термин, който се отнася към последователното включване на два прекъсвача в дадена верига, като при това поне висшестоящият прекъсвач има т. нар. токоограничаване. Физическата същност на токоограничаването се състои в това, че в процеса на отваряне на контактите на прекъсвача между тях възниква електрическа дъга, която добавя във веригата на тока на късо съединение както допълнително активно съпротивление, така и противоелектродвижещо напрежение, чиято големина зависи от скоростта, с която се раздалечават контактите.

Всеки автоматичен, а така също и стопяемите предпазители, имат 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 времето, нужно на контактите да започнат да се отварят и увеличаване скоростта на раздалечаването им. Когато отварянето на контактната система започне още в първия полупериод на тока на късо съединение, преди да е достигната първата му пикова стойност, имаме ефективна защита. При това токът, протичащ във веригата след прекъсвача, има по-малък от очаквания ток на късо съединение. Добрите токоограничаващи прекъсвачи ограничават амплитудата на тока до около 10% от амплитудата на периодичната съставка на очаквания ток на късо съединение.

Ефектът от каскадирането се получава, ако във веригата са включени повече от един автоматични прекъсвачи, като всеки от тях работи в режим на токоограничение. Това се обяснява с факта, че токоограничаващото действие на един прекъсвач не е непременно свързано с последващо изключване. При наличие на 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 се получава и принципът на селективност.

Логическа селективност
Логическата селективност може да се прилага при големи прекъсвачи, чиито защити имат възможност за избираемо времезакъснение на бързодействащата защита и възможности за комуникация между защитните блокове на прекъсвачите от различни нива. Принципът на действие на този метод се изразява в това висшестоящият прекъсвач да е настроен с минимално времезакъснение на бързодействащата защита. При възникване на повреда след долустоящия прекъсвач, неговият защитен блок регистрира повредата и едновременно подава сигнал към защитния блок на висшестоящия прекъсвач. В резултат, последният превключва характеристиката на бързодействащата защита на по-голямо времезакъснение.

Така долустоящият прекъсвач има време да изключи селективно късото. Ако за това време долустоящият прекъсвач не изключи, най-вероятно става дума за негов отказ и висшестоящият прекъсвач изключва повредата в качеството си на резервна защита. Когато късото съединение се случи между двата прекъсвача, а това предполага, че то е и с по-голям ток, защитата на долустоящия прекъсвач не регистрира повреда и защитата на висшестоящия изключва бързо, без външно предизвиканото забавяне. Така описаният принцип може да се прилага и към повече от два прекъсвача, свързани последователно във веригата на късото съединение. По този начин се постига едновременно и пълна селективност, и бързодействие при изключване на къси съединения в по-високите нива на уредбата, следователно, облекчава се задачата за обезпечаване на термичната устойчивост на елементите от тези нива.

Според спецификата в използването на АП се смята, че конструираните на базата на индукционна бобина, са по-подходящи при кратковременни, но много големи пикове на тока във веригата. За разлика от тях, автоматичните прекъсвачи с биметална пластина се характеризират с по-добра реакция на по-малки като големина, но отличаващи се с по-голяма продължителност къси във веригата. Това се дължи поради нужното време за загряване на биметалната пластина от протичащия ток на късо съединение.

Според Конструкция на АП на европейския пазар се предпочита използването на автоматични прекъсвачи с термо-магнитен принцип на действие. На практика, това са автоматични прекъсвачи, комбиниращи двaта описани принципа за ограничаване големината на тока. Конструкцията на използваните днес автоматични прекъсвачи често обединява електромагнит и биметална пластина с цел разширяване на надеждността и сигурността им на работа, както в случай на възникване на къси съединения, така и при претоварване на веригата. Типоразмерите и дори формата на автоматичните прекъсвачи за монтиране върху дин шина в страните от ЕС са напълно стандартизирани.

Към момента производителите наблягат върху развитието на технологията за бързодействие на прекъсвачите като тя се обуславя от различни криви на изключване. Другият важен параметър е максималният допустим ток на късо, който може да премине през автоматичния прекъсвач без да се разруши неговата структурна цялост и функционалност. Различните производители вграждат към АП сигнализация за изключен вследствие на късо съединение автоматичен прекъсвач. По-големите такива разполагат с различни добавки като моторни задвижки, чрез които могат да се включват и изключват АП дистанционно по подадена команда от диспечър или управляващо устройство. Брояч на механичните цикли на прекъсвача според който може да се прави и мониторинг на живота на прекъсвача според минимално гарантираните цикли на автомата. Предлагат се и най различни блокировки межди два прекъсвача, които могат да се ползват при необходимост.

Видове прекъсвачи ниско напрежение
Съществуващото разнообразие от видове автоматични прекъсвачи трудно би могло да се класифицира в строго дефинирани приложни области. Прието е в групата на прекъсвачите с номинално напрежение до 1000 V да се класифицират в група автоматични прекъсвачи ниско напрежение. Това са автоматичните прекъсвачи, които се използват най-вече в битови, обществени електроинсталации и електрически вериги в областта на леката индустрия. Те от своя страна могат да бъдат класифицирани като миниатюрни автоматични прекъсвачи или МСВ (Miniature Circuit Breaker). Групата включва прекъсвачи с номинален ток до 100 А по принцип. Предлагат се и модели до 125A. Обикновено не предлагат възможности за регулиране на изключвателните характеристики. Като принцип на работа са термични или термо-магнитни. Следващите са автоматични прекъсвачи в лят корпус или MCCB (Moulded Case Circuit Breaker). Номиналният им ток вече достига до 1600 А. Като принцип на работа не се различават от миниатюрните автоматични прекъсвачи. Спецификата им е че към тях се монтират различни модули, предлагащи възможност за настройка на изключвателните характеристики.

Въздушните автоматични прекъсвачи са тип АСВ (Air Circuit Breaker). Категорията включва модели с номинален ток обикновено до 6000 A. Редица производители предлагат и модели с по-висок номинален ток. Обикновено предлагат значителни възможности за регулиране на изключвателните характеристики, включително прага на сработване и времезакъснението, както и др. Разработени са модели с електронно управление. Често се използват в електрозахранващите системи в различни предприятия.

Технически тенденции в развитието на автоматичните прекъсвачи
В съответствие със съвременните концепции за сградна автоматизация, автоматичните прекъсвачи се интегрират в системите за централизиран мониторинг и управление на електрическите инсталации.

Съвременните модели автоматични прекъсвачи предлагат комуникационни възможности за свързването им към сградните автоматизирани системи. Обикновено се следи работният им статус, за да се ограничи до минимум времето, през което електрическите съоръжения са без захранване, т.е. с цел подобряване на експлоатацията и надеждността им на работа. По принцип, всеки прекъсвач би могъл да се достави (опционално) с устройство за дистанционна сигнализация на състоянието.

Освен традиционно използваните конструкции автоматични прекъсвачи, чиито принцип на работа вече бе описан, през последните години се наложи и друга техника на прекъсване на електрическата верига, позната като рото-активно изключване или ротационна контактна система. Принципът на действие на тези автоматични прекъсвачи е изобретен преди повече от две десетилетия. По-късно техниката се усвоява от редица производители и днес водещите компании в областта на електро-апаратурата включват в продуктовото си портфолио рото-активни (ротационна контактна система) автоматични прекъсвачи. За разлика от класическите конструкции автоматични прекъсвачи, в които електрическата верига се прекъсва на едно място, при рото-активните веригата се прекъсва на две места. Принципът им работа се базира на възникването на електродинамична сила на отблъскване между неподвижните и подвижния контакт. В резултат от което подвижният контакт се завърта, разкъсвайки електрическата верига на две места.

Предимство на рото-активните прекъсвачи е бързодействието им - времето, за което подвижният контакт се завърта, разкъсвайки веригата, е от порядъка на милисекунди. В местата на разкъсване на веригите се запалват две дъги. Съпротивлението на дъгата води до многократно увеличаване на общото съпротивление във веригата на тока на късо съединение. Резултатът е сериозно понижаване на големината на тока на късо съединение, т.е. използването на описания принцип ограничава тока на к.с. да достигне ударни стойности и следователно запазва проводниците и консуматорите в електрическите инсталации. По мнението на специалисти прекъсвачите с ротационната контактна система се характеризират със силно токоограничаващо действие, сред предимствата от постигането на което са най-добрите за момента възможности за селективност.