Автоматические выключатели с тепловым расцепителем: устройство, принцип действия, характеристики и применение

Автоматический выключатель с тепловым расцепителем (часто называемый в профессиональной среде «тепловым автоматом» или автоматическим выключателем с тепловым расцепителем максимального тока) является фундаментальным аппаратом защиты в низковольтных электрических сетях. Его основное назначение – защита кабелей, проводов и подключенных потребителей от длительных токовых перегрузок и токов короткого замыкания, хотя последние, как правило, отключаются электромагнитным расцепителем, часто комбинированным с тепловым в одном аппарате. В данной статье рассматривается исключительно тепловой расцепитель как самостоятельный или составной элемент автоматического выключателя.

Принцип действия и физические основы

Принцип действия теплового расцепителя основан на физическом явлении нагрева проводника при протекании через него электрического тока (джоулев нагрев) и последующей деформации биметаллической пластины. При превышении номинального тока в защищаемой цепи выше допустимого значения в течение определенного времени, биметаллическая пластина, состоящая из двух прочно соединенных металлов с разными коэффициентами линейного теплового расширения, нагревается. Вследствие разного расширения слоев пластина изгибается. Это механическое перемещение через систему рычагов воздействует на механизм расцепления автоматического выключателя, вызывая отключение защищаемой цепи.

Важнейшей характеристикой теплового расцепителя является зависимость времени срабатывания от величины протекающего тока – время-токовая характеристика (ВТХ). Она является обратнозависимой: чем выше ток перегрузки, тем меньше время до срабатывания. Эта инерционность является ключевым преимуществом, позволяющим игнорировать кратковременные, безопасные для изоляции кабеля пусковые токи (например, при запуске электродвигателей), но надежно отключать цепь при длительной, опасной перегрузке.

Конструктивное устройство теплового расцепителя

Основными компонентами теплового расцепителя в составе автоматического выключателя являются:

• Биметаллическая пластина: Сердечник расцепителя. Изготавливается из двух слоев (например, инвар-нихром, сталь-латунь). Крепится одним концом, второй (свободный) конец связан с механизмом расцепления. Часто является частью токовой цепи или нагревается от отдельного нагревательного элемента, через который протекает ток нагрузки.
• Нагревательный элемент (резистивный): Последовательно включен в цепь тока нагрузки. Нагревается протекающим током и передает тепло биметаллической пластине. В малогабаритных автоматах пластина часто включается непосредственно в цепь, совмещая функции проводника и чувствительного элемента.
• Механизм регулировки тока срабатывания: Как правило, представляет собой регулировочный винт, который изменяет первоначальное изгибающее усилие или зазор между биметаллической пластиной и механизмом расцепления. Позволяет в определенных пределах (например, ±20% от In) калибровать номинальный ток тепловой защиты.
• Система компенсации температуры окружающей среды: Для исключения влияния внешней температуры на точность срабатывания в современных аппаратах применяется дополнительная компенсационная биметаллическая пластина, которая вносит поправку в работу основной.

Время-токовые характеристики (ВТХ) и их классификация

Время-токовая характеристика теплового расцепителя графически отображает зависимость времени срабатывания от кратки тока перегрузки к номинальному току аппарата (I/In). Для стандартизации введены несколько типовых характеристик, наиболее распространенные из которых B, C, D. Важно понимать, что тепловой расцепитель формирует, в основном, обратнозависимую часть кривой, в то время как мгновенное срабатывание (зона короткого замыкания) обеспечивается электромагнитным расцепителем.

Зона ответственности теплового расцепителя – это область от примерно 1.13In до точки, где в работу вступает электромагнитный расцепитель (обычно 3-20In в зависимости от характеристики). Согласно стандартам (например, ГОСТ Р 50030.2, МЭК 60947-2), тепловой расцепитель должен:

• Не срабатывать в течение 1 часа при токе 1.13*In (условие холодного старта).
• Обязательно сработать в течение 1 часа при токе 1.45*In.
• Время срабатывания при токе 2.55*In должно лежать в определенном диапазоне (например, от 1 до 60 секунд для автоматов до 32А).

Таблица 1. Типовые параметры срабатывания теплового расцепителя (усредненные данные для аппаратов до 63А)

Кратность тока перегрузки (I/In)	Требуемое время несрабатывания (холодное состояние)	Требуемое время срабатывания	Примечание
1.13	> 1 часа	—	Проверка на ложные срабатывания при незначительной перегрузке.
1.45	—	< 1 часа	Критическая точка для защиты кабеля. Срабатывание должно произойти до того, как перегрев повредит изоляцию.
2.55	—	от 1 до 60 с	Защита от значительных перегрузок. Диапазон времени обусловлен необходимостью фильтрации пусковых токов.

Классификация и основные параметры

Автоматические выключатели с тепловым расцепителем классифицируются по ряду ключевых параметров:

• Номинальный ток (In): Значение тока, которое расцепитель может проводить неограниченно долго без срабатывания в нормальных тепловых условиях. Стандартный ряд: 6, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100А и далее.
• Номинальное напряжение: Максимальное напряжение сети, в которой допускается применение аппарата.
• Класс (тип) время-токовой характеристики: Определяет диапазон токов мгновенного расцепления (электромагнитной защиты) и крутизну обратнозависимой части кривой. Для теплового расцепителя наиболее актуален диапазон токов перегрузки, который он должен контролировать до момента срабатывания электромагнитного.
• Отключающая способность (Icu): Хотя это параметр аппарата в целом, тепловой расцепитель не должен выходить из строя после прохождения тока КЗ и последующего отключения электромагнитным расцепителем.
• Климатическое исполнение и рабочая температура: Точность работы теплового расцепителя напрямую зависит от температуры окружающей среды. Современные аппараты имеют температурную компенсацию в диапазоне обычно от -25°C до +60°C.

Области применения и схемы включения

Автоматические выключатели с тепловым (и комбинированным) расцепителем применяются повсеместно в качестве:

• Вводных и групповых аппаратов в распределительных щитах жилых, коммерческих и промышленных зданий.
• Защиты электродвигателей от перегрузки по току, вызванной механической перегрузкой вала, заклиниванием, пониженным напряжением. В этом случае часто используются специализированные тепловые реле, работающие в паре с контакторами.
• Защиты силовых и осветительных линий от перегрева проводников.

В трехфазных сетях применяются трех- или четырехполюсные автоматические выключатели, в которых тепловые расцепители установлены в каждом полюсе и, как правило, имеют общий механизм расцепления, что обеспечивает отключение всех фаз при перегрузке даже в одной из них.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Простота и надежность конструкции.
• Низкая стоимость.
• Наличие обратнозависимой выдержки времени, позволяющей избежать ложных срабатываний при пусковых токах.
• Не требует внешнего источника питания для работы.

Недостатки:

• Зависимость времени срабатывания от температуры окружающей среды (частично компенсируется).
• Снижение чувствительности после нескольких срабатываний на больших токах из-за возможного старения биметалла.
• Нагрев самого аппарата в рабочем режиме, особенно при токах, близких к номинальному.
• Невозможность точной настройки тока срабатывания, только в пределах заводской калибровки.
• Однофункциональность – защита только от перегрузки по току. Для защиты от токов КЗ требуется комбинация с электромагнитным расцепителем.

Техническое обслуживание и диагностика

Обслуживание автоматических выключателей с тепловым расцепителем включает в себя:

• Визуальный контроль на отсутствие механических повреждений, следов перегрева (оплавления, изменение цвета).
• Проверку надежности затяжки контактных соединений, так как их нагрев может влиять на работу биметаллической пластины.
• Оперативную проверку срабатывания (тестовую поездку) кнопкой «ТЕСТ», которая имитирует перегрузку или короткое замыкание в зависимости от конструкции.
• Для ответственных применений – проведение стендовых испытаний с замером время-токовых характеристик специализированным оборудованием. Отклонение от стандартных ВТХ является основанием для замены аппарата.

После срабатывания на ток КЗ рекомендуется проводить диагностику, так как мощная электродинамическая сила и нагрев могут повлиять на характеристики как электромагнитного, так и теплового расцепителя.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается автоматический выключатель с тепловым расцепителем от предохранителя?

Автоматический выключатель является многократным аппаратом. После срабатывания и устранения неисправности его можно повторно включить. Предохранитель – одноразовый элемент, требующий замены плавкой вставки. Тепловой расцепитель обеспечивает более стабильную и предсказуемую обратнозависимую выдержку времени, в то время как характеристика предохранителя может иметь больший разброс. Однако предохранители часто имеют более высокую отключающую способность при тех же габаритах.

Почему автоматический выключатель не срабатывает сразу при небольшом превышении номинального тока?

Это прямое следствие принципа обратнозависимой выдержки времени. Изоляция кабеля способна выдерживать определенный перегрев в течение ограниченного времени. Задача теплового расцепителя – отключить цепь до того, как будет достигнуто критическое для изоляции состояние, но при этом «простить» кратковременные и безопасные перегрузки, характерные для многих электроприемников. Это повышает устойчивость системы электроснабжения.

Как температура окружающей среды влияет на работу теплового расцепителя?

Без температурной компенсации в жарком помещении биметаллическая пластина будет иметь повышенную начальную температуру. Для ее изгиба до точки срабатывания потребуется меньше дополнительного тепла от перегрузки, и автомат сработает при меньшем токе или быстрее. В холодном помещении – наоборот, время срабатывания увеличится. Современные качественные аппараты имеют компенсационную биметаллическую пластину, которая минимизирует этот эффект в заявленном диапазоне температур.

Можно ли использовать автоматический выключатель только с тепловым расцепителем для защиты от короткого замыкания?

Нет, это недопустимо. Тепловой расцепитель обладает значительной инерционностью (десятки секунд при токах в 3-5*In). Токи короткого замыкания в тысячи ампер должны отключаться мгновенно (за доли секунды) для предотвращения разрушения проводки, возгорания и возникновения электрической дуги. Для защиты от КЗ обязателен электромагнитный расцепитель или плавкая вставка предохранителя.

Что означает характеристика срабатывания «C» или «D» на корпусе автомата применительно к тепловому расцепителю?

Буква характеризует, в первую очередь, диапазон токов мгновенного срабатывания электромагнитного расцепителя (например, C – 5-10In, D – 10-20In). Однако она косвенно указывает и на настройку теплового расцепителя. Автоматы с характеристикой «D», предназначенные для цепей с высокими пусковыми токами (двигатели, трансформаторы), часто имеют несколько иную калибровку тепловой защиты, чтобы гарантированно выдерживать длительный пусковой процесс, не срабатывая ложно. Конкретные время-токовые кривые для каждой характеристики регламентированы стандартами.

Почему после срабатывания на перегрузку автомат не включается сразу?

Это нормальное поведение. Биметаллическая пластина после срабатывания остается в нагретом и изогнутом состоянии. Для возврата в исходное положение и готовности к новому циклу срабатывания ей необходимо остыть. Этот процесс называется временем возврата. Попытка включить автомат сразу приведет либо к невозможности взвести рукоятку, либо к немедленному повторному отключению. Необходимо выждать несколько минут, дать аппарату остыть, после чего включение станет возможным.