Как устроен автоматический выключатель и как он работает

Здравствуйте! Меня зовут Сергей, я специалист-электромонтажник с многолетним опытом. В этой статье я простыми словами расскажу, как устроен автоматический выключатель и за счёт чего он срабатывает. Мы подробно рассмотрим устройство автоматического выключателя и принцип его действия, объясним, принцип работы автоматического выключателя при перегрузках и коротких замыканиях. Также поделюсь видами и типами автоматов, примерами из практики (например, почему автоматический выключатель срабатывает при включении микроволновки), важными нюансами выбора номинала, и разберём отличие автомата от УЗО и дифавтомата. Статья будет полезна начинающим электрикам, владельцам квартир и домов, а также пригодится и инженерам, желающим освежить знания.

Введение

Автоматический выключатель — что это такое? Это компактное устройство, которое служит для автоматического отключения электроцепи при превышении допустимого тока. Автоматический выключатель (часто его просто называют «автомат») – это прибор защиты электрической сети от аварийных режимов. Его задача – автоматически отключать питание, когда ток в цепи превышает допустимый уровень. Проще говоря, если вы включили слишком мощные приборы одновременно или произошло короткое замыкание, автоматический выключатель разомкнёт цепь, чтобы предотвратить перегрев проводки и пожар. Важно понимать, что защищает автоматический выключатель: от перегрузок, коротких замыканий и опасных ситуаций в сети. Устройство этого прибора включает специальные элементы – тепловой и электромагнитный расцепитель, которые реагируют на перегрузки и короткие замыкания. Давайте разберёмся подробнее, как работает автоматический выключатель внутри и за счёт чего он “чувствует” опасные ситуации.

Принцип работы автоматического выключателя

Принцип действия автоматического выключателя основан на том, что внутри него есть два разных механизма срабатывания: электромагнитный (для мгновенного отключения при сильном броске тока) и тепловой (для более медленного отключения при долговременной перегрузке). Благодаря этому автомат защищает проводку и оборудование и от коротких замыканий, и от перегрузок. Рассмотрим отдельно, как работает автомат при коротком замыкании и как работает автомат при перегрузке.

Как работает автомат при коротком замыкании

При коротком замыкании (КЗ) в цепи ток мгновенно возрастает в десятки раз выше нормы. В автоматическом выключателе на такой экстремальный ток реагирует электромагнитный расцепитель. Это электромагнитная катушка с сердечником: при чрезмерно высоком токе катушка создаёт сильное магнитное поле, которое моментально втягивает металлический сердечник (якорь). Якорь ударяет по механизму расцепления и заставляет контакты автомата разойтись – происходит мгновенное отключение питания. Весь процесс занимает доли секунды, поэтому автоматический выключатель, как работает “на отсечку”, успевает отключить цепь прежде, чем ток короткого замыкания нанесёт вред проводам или приборам.

Однако при размыкании цепи под таким большим током возникает мощная электрическая дуга между размыкающимися контактами. Чтобы дуга не повредила контакты и погасла, в конструкции предусмотрена дугогасительная камера. Дуга вытягивается внутрь этой камеры – набора металлических пластин. Попадая на пластины, она дробится на небольшие части и быстро охлаждается, в результате чего дуга гаснет. Продукты горения и раскалённый воздух выводятся через вентиляционные отверстия в корпусе. Таким образом, электромагнитный расцепитель обеспечивает мгновенное срабатывание автомата при коротком замыкании, а дугогасительная камера защищает устройство от разрушения дугой.

Как работает автомат при перегрузке

При долговременной перегрузке ток в цепи повышен несильно – возможно, всего на 20–50% больше номинального, но течёт так минутами и часами. Такая ситуация опасна тем, что провода начинают греться. За защиту от перегрузки отвечает тепловой расцепитель – это биметаллическая пластина в автомате. Биметаллическая пластина состоит из двух спаянных металлических полос с разным коэффициентом теплового расширения. Когда через автомат течёт ток, превышающий номинальный, пластина нагревается. При повышенном токе (перегрузке) нагрев значительный, и один металл расширяется сильнее другого – пластина постепенно изгибается. Через определённое время изгиб достигает критической точки, и кончик пластины нажимает на механизм расцепления контактов. Автоматический выключатель – принцип действия теплового расцепления именно в этом: от перегрева пластины он отключает цепь.

Время отключения при перегрузке зависит от величины тока: небольшой перегруз (например, +10–20% сверх номинала) может не сразу отключить автомат – биметаллическая пластина греется медленно и может сработать через несколько минут. Сильная же перегрузка (например, в 2 раза выше номинала) нагреет пластину быстрее, и автомат отключится за несколько секунд. Такая задержка срабатывания теплового расцепителя полезна: она позволяет кратковременно включать приборы с пусковыми токами (например, мотор холодильника или пылесоса) без ложных срабатываний. Если же перегрузка не исчезает, автомат обязательно отключится, предотвратив перегрев кабелей. Таким образом, тепловой и электромагнитный расцепители срабатывают в тандеме: один – мгновенно при тяжелых авариях, другой – с задержкой при превышении нагрузки, но оба в итоге размыкают цепь, спасая вашу проводку.

Из чего состоит автоматический выключатель

Внутреннее устройство автоматического выключателя (модульный автомат в разрезе). Видны основные элементы конструкции: слева и справа – винтовые клеммы для подключения проводов с зажимными пластинами; в центре – медная катушка электромагнитного расцепителя; под ней изогнутая медная полоса – это биметаллическая пластина теплового расцепителя; красный блок снизу – это пластинчатая дугогасительная камера; сверху (жёлтая деталь) – рычаг/ручка включения, связанная с механизмом расцепления.

Конструкция бытового модульного автомата довольно компактна. Внутреннее устройство автоматического выключателя включает несколько ключевых узлов, каждый из которых выполняет свою роль. Если разобрать автомат, можно увидеть его составляющие. Автоматический выключатель – устройство которого мы рассматриваем – состоит из следующих основных частей:

• Корпус. Прочный негорючий корпус (обычно из пластика) удерживает все внутренние элементы и изолирует их от пользователя. На корпусе часто указаны номинальный ток (например, 16 А) и характеристика автомата (B, C или D).

• Рычажок (ручка) включения/выключения. Внешний переключатель, которым мы вручную включаем или отключаем автомат. Связан с внутренним механизмом взвода пружины и расцепления. В поднятом положении контакты замкнуты, в опущенном – разомкнуты. При срабатывании автомата рычаг автоматически переходит в низкое положение.

• Винтовые клеммы (зажимы) сверху и снизу. С помощью этих клемм автомат подключается в разрыв провода фазной линии. Верхний винтовой зажим соединяется с питающим проводом (фазой от ввода или предыдущего устройства), а нижний – с отходящей линией, ведущей к нагрузке. Винтовые зажимы фиксируют провод и обеспечивают надежный контакт.

• Неподвижный и подвижный контакты. Это пары токопроводящих контактов внутри автомата. Подвижный контакт крепится на качающемся рычаге и прижимается к неподвижному контакту пружиной, когда автомат во включенном состоянии. Через эти контакты ток проходит по цепи. При срабатывании механизма подвижный контакт отскакивает от неподвижного, разрывая цепь.

• Пружинный механизм и расцепляющий рычаг. Внутри есть система рычагов, пружин и защёлок (спусковой механизм). Она удерживает контакты замкнутыми, пока автомат взведён, и быстро размыкает их, когда срабатывает любой из расцепителей. Пружина обеспечивает необходимое усилие для мгновенного размыкания контактов и создаёт щелчок при отключении.

• Тепловой расцепитель (биметаллическая пластина). Как описано выше, это пластина из двух металлов, которая греется током. Биметаллическая пластина в автомате изогнута под нагрузкой и приводит в действие расцепляющий механизм при превышении тока (перегрузке). На некоторых автоматах есть винт калибровки, позволяющий на заводе настроить порог срабатывания по перегреву.

• Электромагнитный расцепитель (соленоид с сердечником). Это катушка из медной проволоки с подвижным железным сердечником (плунжером). При нормальных токах сердечник удерживается пружиной, но если ток мгновенно возрастает (короткое замыкание), магнитное поле втягивает сердечник внутрь катушки. Сердечник ударяет по рычагу механизма и моментально размыкает контакты – срабатывает отсечка. Расцепитель автоматического выключателя этого типа обеспечивает защиту от токов короткого замыкания.

• Дугогасительная камера. Это набор металлических пластин (чаще всего медных или стальных) с небольшим зазором между ними, заключённых в изоляционный блок. Когда возникает дуга при разрыве контактов, она втягивается в эту камеру. Пластины разделяют дугу на части, охлаждают её и гасят. Дугогасительная камера защищает контакты от разрушения и гарантирует, что автомат сможет разорвать цепь даже при высоком токе.

• Крепёж на DIN-рейку. На задней части корпуса обычно есть пластиковая защёлка. Она позволяет установить автоматический выключатель на стандартную DIN-рейку в электрощитке и при необходимости снять его, потянув защёлку вниз отвёрткой.

Все эти части вместе обеспечивают надежную работу устройства. Когда автомат во включенном состоянии, внутренняя цепь соединяет вход и выход через контакты, тепловой и электромагнитный элементы. Внутреннее устройство автоматического выключателя рассчитано так, чтобы при любом превышении тока нужный расцепитель отключил пружинный механизм и разомкнул контакты, разорвав подачу электричества.

Типы автоматических выключателей по характеристикам и устройству

Автоматические выключатели различаются по конструкции и характеристикам срабатывания. Существуют разные виды – от крупных воздушных автоматов на тысячи ампер в промышленности до компактных модульных автоматов на DIN-рейку для квартиры. Однако для бытового уровня наиболее важна классификация по токовым характеристикам расцепителей. Проще говоря, это насколько чувствителен автомат к превышению тока и как быстро он отключается.

Типы автоматических выключателей по устройству расцепителей обозначаются буквами (A, B, C, D и др.) перед номинальным током. В современных домах самыми распространёнными являются автоматы с характеристиками B, C или D. Эти буквы указывают на так называемую времятоковую характеристику – зависимость времени срабатывания от величины тока. Ниже приведена таблица с основными типами и их особенностями:

Примечание: I_ном – это номинальный ток автомата (той величины, на которую он рассчитан для длительной работы). Ток мгновенного срабатывания – условный порог срабатывания электромагнитного расцепителя (отсечки). Например, автомат 16 А типа C при токе 80 А (5×16 А) отключится почти мгновенно, а автомат 16 А типа B может сработать уже при ~48 А (3×16 А). Все автоматы независимо от типа имеют тепловой расцепитель на свой номинал (перегрузку): т.е. и B, и C, и D на 16 А одинаково отключат нагрузку около 16–20 А спустя некоторое время. Разница проявляется именно при коротких высоких всплесках тока.

Помимо типов B, C, D, существуют и другие характеристики: A (ещё более чувствительный, срабатывает при ~1,5–2×Iном, сейчас почти не используется из-за частых ложных срабатываний), а также специальные K, Z для определённых видов нагрузок. Но в бытовой практике устройство и принцип действия автоматического выключателя обычно рассматриваются на примере комбинированных тепловых и электромагнитных автоматов типов B, C, D, так как они покрывают большинство случаев.

При выборе автомата для дома или квартиры обычно ориентируются на тип C, как наиболее универсальный. Тип B могут применять для отдельных линий с небольшими токами и без мощных приборов – например, отдельная линия только на свет. Тип D в жилых домах практически не нужен (встречается разве что для ввода в большой частный дом с мощным оборудованием или в мастерской). В электрощитке часто используют комбинацию: вводной автомат ставят менее чувствительный (например, C или D), а на отходящих линиях – более чувствительные (B или C). Это помогает добиться селективности: при КЗ “бьёт” только автомат на проблемной линии, а не выбивает весь дом.

Как работает автомат в реальных условиях

Теория – это хорошо, но как всё выглядит на практике? Приведу пример из собственной практики. Однажды меня вызвали из-за постоянного срабатывания автомата на кухонной линии. При включении микроволновки выбивает автомат – знакомая многим ситуация. В данном случае на одну линию были подключены сразу несколько мощных приборов: электрочайник (2 кВт), холодильник и микроволновая печь (~1,2 кВт). Все они подключены к розеткам, защищенным одним автоматом 16 А типа C. Когда хозяева одновременно запустили чайник и микроволновку, суммарный ток превысил допустимый для автомата (около 12–13 А от микроволновки + 9 А от чайника = ~22 А, что значительно выше 16 А). Как работает автомат в такой ситуации? Сначала токовый всплеск от микроволновки мог задействовать электромагнитный расцепитель, а если нет – в течение нескольких секунд тепловой расцепитель нагрелся и отключил линию. В результате как только микроволновка начала разогрев, произошло отключение – автомат сработал, обесточив кухню. Это и спасло проводку: проводники нагрелись бы очень сильно, если бы ток в 22 А продолжал течь по проводу, рассчитанному на 16 А.

В этом случае решение проблемы было простым – перераспределить мощные приборы на разные линии (включить чайник в другую розетку, питаемую другим автоматом) или установить отдельную линию для микроволновки. Ни в коем случае нельзя было просто поставить автомат большего номинала, потому что проводка оставалась прежняя (2,5 мм² медь под 16 А). Если бы хозяева самовольно поставили, скажем, автомат на 25 А, то микроволновка и чайник могли бы работать без отключения, но провод грелся бы сверх меры, ведь 22 А для него – это перегрузка. Через некоторое время это привело бы к плавлению изоляции или возгоранию. Таким образом, правильный подбор номинала автомата – залог безопасности. Автомат должен первым принимать удар при превышении тока, а не допускать перегрев проводов.

Другой пример из жизни: короткое замыкание при ошибочном подключении. Мой коллега как-то перепутал ноль и фазу при подключении светильника, что вызвало короткое замыкание на выходе автомата. Автомат (тип B, 10 А) сработал мгновенно – раздался громкий щелчок, и свет в комнате погас. Рычаг автомата опустился в нижнее положение. Мы сразу поняли, что произошло КЗ, исправили ошибку в подключении, после чего автоматика позволила вернуть питание. Здесь сработал электромагнитный расцепитель: ток КЗ был огромным (десятки ампер), автомат успел отключиться быстрее, чем нагрев проводов и тем более быстрее, чем сработали бы пробки или расплавились провода. Как работает автомат при коротком замыкании в реальности – для пользователя это выглядит как внезапно отключившееся электричество и щелчок в щитке. Иногда можно заметить вспышку или хлопок в месте замыкания, но сам автомат снаружи обычно никак не повреждается – внутри дугу погасила камера, и устройство готово к повторному включению после устранения неисправности.

В повседневной эксплуатации автоматические выключатели обычно служат верой и правдой, редко напоминая о своём существовании. Если ваш автомат часто “выбивает”, это сигнал: либо вы превышаете допустимую нагрузку (слишком много приборов одновременно, либо прибор слишком мощный для данной линии), либо есть проблема — например, повреждение изоляции, приводящее к утечке или частичному короткому замыканию. В любом случае, нормальный автомат выключается не просто так – он делает своё дело, защищая вашу электроустановку. В таких случаях лучше вызвать электрика, выяснить причину срабатывания и устранить её, чем пытаться поставить более “сильный” автомат.

Отличие автомата от УЗО и дифавтомата

Новички часто путают автоматический выключатель с другими защитными устройствами – УЗО и дифференциальным автоматом. Эти приборы могут выглядеть похоже (корпус, рычажок), но выполняют разные функции защиты. Коротко разберём, чем они отличаются и когда что применяется:

• Автоматический выключатель (ВА) – реагирует только на превышение тока в цепи. Защищает проводку от перегрузки и короткого замыкания. Как работает автомат: при перегрузке гнётся биметаллическая пластина (тепловой расцепитель), при КЗ срабатывает электромагнитная катушка. Не реагирует на утечки тока на землю. Обычно ставится в каждой цепи (линии) для защиты проводов и подключенной техники.

• УЗО (Устройство защитного отключения) – реагирует на дифференциальный ток (утечку тока на землю). Внутри у УЗО расположен дифференциальный трансформатор, сравнивающий ток, уходящий по фазе, с током, возвращающимся по нейтрали. В норме они равны. Если часть тока «утекает» (например, человек прикоснулся к фазе и часть тока пошла через его тело в землю, либо пробой изоляции на корпус прибора), то УЗО обнаруживает разницу (обычно 10 мА, 30 мА или более, в зависимости от типа) и быстро отключает питание. УЗО не защищает от перегрузки или КЗ – если вы превысите ток, но утечки нет, чисто УЗО не отключится. Поэтому УЗО всегда ставится в паре с автоматом подряд (либо в дифавтомате, см. ниже). УЗО защищает людей от поражения электрическим током и предотвращает пожары при пробое изоляции, отключая сеть при малейших утечках.

• Дифференциальный автомат (дифавтомат). Это гибрид двух устройств: в одном корпусе объединены автоматический выключатель и УЗО. То есть дифавтомат способен отключаться и при перегрузке/КЗ, и при утечке тока. По сути, внутри дифавтомата есть и тепловой с электромагнитным расцепители, и дифференциальный датчик утечки. На корпусе дифавтомата указываются два параметра: номинальный ток (например, 16 А, характеристика C) и чувствительность по утечке (например, 30 мА). Также обычно есть кнопка “Тест” как у УЗО. Автоматический выключатель + УЗО vs дифавтомат: функция у них в итоге одинаковая, но в первом случае это два отдельных прибора, во втором – один. Дифавтомат экономит место в щите и упрощает монтаж, однако при срабатывании приходится разбираться, что было причиной – перегрузка или утечка (по индикаторам или путём исключения). Кроме того, замена дифавтомата при неисправности обычно дороже, чем отдельных устройств.

Главное отличие автомата от УЗО в том, что автомат защищает от сверхтоков (перегрузок и замыканий), а УЗО – от утечек (дифференциальных токов). Один не подменяет другое. В домашней электросети, как правило, нужны оба типа защиты: автоматы на каждую линию и дополнительно УЗО (или дифавтоматы) на группы линий для защиты от утечек. Например, на квартиру часто ставят вводное УЗО на 30 mA, а после него несколько автоматов на розетки, свет, кондиционер и пр. Либо вместо связки «УЗО + автоматы» используют несколько дифавтоматов на разные зоны квартиры.

Если кратко: автоматический выключатель отключится, когда ток слишком большой, а УЗО – когда ток “не туда” (уходит в землю). Дифавтомат сделает и то и другое. Поэтому подмена автомата на одно УЗО недопустима – проводка останется без защиты от перегрузки! И наоборот, один лишь автомат не спасёт человека от удара током, если ток утечки мал для срабатывания автомата. Современные стандарты (например, ПУЭ в последних редакциях) требуют устанавливать УЗО на розеточные группы помещений с повышенной опасностью (ванные, уличные линии и т.д.), а также рекомендуют широкое применение дифференциальной защиты в жилье.

Заключение

Автоматический выключатель предназначен для защиты проводки и электроприборов от аварийных токов — это незаменимый “страж” вашей электропроводки. Мы рассмотрели его устройство и поняли, как он работает: два разных принципа (тепловой и электромагнитный) позволят вовремя почувствовать и длительную перегрузку, и мгновенный короткий замыкание. Устройство и принцип действия автоматического выключателя направлены на одно – безопасность. Когда автомат отключается, он предотвращает перегрев кабелей, порчу оборудования и даже возгорание.

Хочу подчеркнуть от себя, как практикующего электрика: правильный выбор автомата – критически важен. Номинал тока и характеристика (B, C, D) должны соответствовать характеру нагрузки и сечению проводов в цепи. В нормативных документах (например, в ?? ПУЭ – Правила устройства электроустановок, и аналогичных ?? стандартах ДСТУ) указано, что ток плавкого предохранителя или автомата должен быть не выше допустимого длительного тока для данной линии. Проще говоря, автомат должен быть слабее провода – тогда в аварии сгорит автомат, а провод останется цел. Если же поставить “слишком сильный” автомат, ток при перегрузке может не отключиться вовремя, проводка перегреется и может произойти пожар. Обратная ситуация – автомат слишком малого номинала – приведёт к постоянным ложным срабатываниям и неудобству, хотя прямой опасности не создаст. Поэтому подбирайте автоматы по расчетной нагрузке и сечению кабеля. Например, на медный провод сечением 2,5 мм² обычно ставится автомат 16 или 20 А (в квартирах чаще 16 А для розеток), а на 1,5 мм² – не более 10 А для длительной работы (16 А допускается только коротковременно). Соблюдение этих правил обеспечивает надежную и безопасную работу электросети.

Таким образом, автоматический выключатель — устройство и принцип действия которого основаны на сочетании теплового и электромагнитного расцепителей — обеспечивает комплексную защиту вашей электросети.

В заключение отмечу: современный автоматический выключатель – весьма надёжное и отлаженное устройство. При правильном монтаже и эксплуатации он может прослужить десятки лет, ни разу не отключившись зря. Но если вдруг “выбило пробки” (автомат отключился) – не игнорируйте этот сигнал. Выясните причину, устраните неисправность или избыточную нагрузку, и снова включите автомат. Автоматический выключатель, устройство которого мы разобрали, – ваш верный защитник, но забота о безопасности сети лежит и на вас: не перегружайте линии, используйте качественные приборы и регулярно проверяйте состояние проводки. Тогда электричество будет служить вам без сбоев и ЧП.

Спасибо, что дочитали до конца. Надеюсь, теперь вы лучше понимаете, как устроен автоматический выключатель и как он работает, и сможете применять эти знания на практике!

Автор статьи: Задать вопрос эксперту

Сергей Бондарь

Практикующий электромонтажник с более чем 10-летним опытом. Специализируется на сборке и диагностике щитового оборудования, подборе модульной автоматики и защите бытовых и промышленных сетей. Регулярно консультирует клиентов по выбору автоматических выключателей, УЗО и дифавтоматов, с учётом ПУЭ и требований безопасности..