Як влаштований автоматичний вимикач та як він працює

Вітаю! Мене звати Сергій, я спеціаліст-електромонтажник із багаторічним досвідом. У цій статті простими словами розповім, як влаштований автоматичний вимикач і завдяки чому він спрацьовує. Ми детально розглянемо пристрій автоматичного вимикача й принцип його дії, пояснимо, принцип роботи автоматичного вимикача при перевантаженнях та коротких замиканнях. Також поділюсь видами й типами автоматів, прикладами з практики (наприклад, чому автоматичний вимикач спрацьовує при вмиканні мікрохвильовки), важливими нюансами вибору номіналу, і розберемо відмінності автомата від ПЗВ та дифавтомата. Стаття буде корисною початківцям-електрикам, власникам квартир і будинків, а також стане у пригоді інженерам, які хочуть освіжити знання.

Вступ

Автоматичний вимикач — що це таке? Це компактний прилад, який служить для автоматичного вимкнення електроланцюга при перевищенні допустимого струму. Автоматичний вимикач (його часто просто називають «автомат») – це пристрій захисту електричної мережі від аварійних режимів. Його завдання – автоматично відключати живлення, коли струм у ланцюзі перевищує допустимий рівень. Простіше кажучи, якщо ви увімкнули надто потужні прилади одночасно чи сталося коротке замикання, автоматичний вимикач розімкне ланцюг, щоб запобігти перегріву проводки й пожежі. Важливо розуміти, що захищає автоматичний вимикач: від перевантажень, коротких замикань і небезпечних ситуацій у мережі. Пристрій цього приладу містить спеціальні елементи – тепловий та електромагнітний розчіплювач, які реагують на перевантаження та короткі замикання. Давайте розберемося детальніше, як працює автоматичний вимикач всередині і завдяки чому він “відчуває” небезпечні ситуації.

Принцип роботи автоматичного вимикача

Принцип дії автоматичного вимикача полягає в тому, що всередині нього є два різних механізми спрацювання: електромагнітний (для миттєвого вимкнення при сильному стрибку струму) та тепловий (для повільнішого вимкнення при довготривалій перевантаженості). Завдяки цьому автомат захищає проводку й обладнання і від коротких замикань, і від перевантажень. Розгляньмо окремо, як працює автомат при короткому замиканні та як працює автомат при перевантаженні.

Як працює автомат при короткому замиканні

При короткому замиканні (КЗ) у ланцюгу струм миттєво зростає у десятки разів вище норми. В автоматичному вимикачі на такий екстремальний струм реагує електромагнітний розчіплювач. Це електромагнітна котушка з осердям: при надмірно високому струмі котушка створює потужне магнітне поле, яке миттєво втягує металеве осердя (якір). Якір б’є по механізму розчеплення та змушує контакти автомата розійтися – відбувається миттєве вимкнення живлення. Весь процес триває частки секунди, тому автоматичний вимикач, як працює “на відсічення”, встигає вимкнути ланцюг до того, як струм короткого замикання завдасть шкоди кабелю чи приладам.

Однак при розмиканні ланцюга під таким великим струмом виникає потужна електрична дуга між розмикаючими контактами. Щоб дуга не пошкодила контакти та згасла, у конструкції передбачена дугогасна камера. Дуга втягується всередину цієї камери – набору металевих пластин. Потрапляючи на пластини, вона роздрібнюється на невеликі частини та швидко охолоджується, внаслідок чого дуга гасне. Продукти горіння та розпечене повітря виводяться через вентиляційні отвори у корпусі. Таким чином, електромагнітний розчіплювач забезпечує миттєву роботу автомата при короткому замиканні, а дугогасна камера захищає пристрій від руйнування дугою.

Як працює автомат при перевантаженні

При довготривалій перевантаженості струм у ланцюгу підвищено несильно – можливо, лише на 20–50% вище номінального, але він триває хвилинами та годинами. Така ситуація небезпечна тим, що дроти починають нагріватися. За захист від перевантаження відповідає тепловий розчіплювач – це біметалева пластина в автоматі. Біметалева пластина складається з двох зварених металевих смужок з різними коефіцієнтами теплового розширення. Коли через автомат тече струм, що перевищує номінальний, пластина нагрівається. При підвищеному струмі (перевантаженні) нагрів значний, і один метал розширюється сильніше за інший – пластина поступово вигинається. Через певний час вигин досягає критичної точки, й кінчик пластини натискає на механізм розчеплення контактів. Автоматичний вимикач – принцип дії теплового розчіплювача саме в цьому: від перегріву пластини він відключає ланцюг.

Час вимкнення при перевантаженні залежить від величини струму: невелика перевантаження (наприклад, +10–20% понад номінал) може не одразу виключити автомат – біметалева пластина нагрівається повільно й може спрацювати за кілька хвилин. Сильне ж перевантаження (наприклад, у 2 рази вище номіналу) нагріє пластину швидше, і автомат відключиться за кілька секунд. Така затримка спрацювання теплового розчіплювача корисна: вона дозволяє короткочасно вмикати прилади з пусковими струмами (наприклад, мотор холодильника чи пилососа) без хибних відключень. Якщо ж перевантаження не зникає, автомат обов’язково вимкнеться, запобігаючи перегріву кабелів. Таким чином, тепловий і електромагнітний розчіплювачі працюють у тандемі: один – миттєво при серйозних аваріях, другий – із затримкою при перевищенні навантаження, але обидва зрештою розмикають ланцюг, рятуючи вашу проводку.

З чого складається автоматичний вимикач

Внутрішня будова автоматичного вимикача (модульний автомат у розрізі). Видно основні елементи конструкції: ліворуч і праворуч – гвинтові клеми для підключення дротів із притискними пластинами; у центрі – мідна котушка електромагнітного розчіплювача; під нею вигнута мідна смуга – це біметалева пластина теплового розчіплювача; червоний блок унизу – це пластинчаста дугогасна камера; зверху (жовта деталь) – важіль/ручка вмикання, пов’язана з механізмом розчіплення.

Конструкція побутового модульного автомата досить компактна. Внутрішній устрій автоматичного вимикача містить кілька ключових вузлів, кожен з яких виконує свою роль. Якщо розібрати автомат, можна побачити його складові. Автоматичний вимикач – пристрій якого ми розглядаємо – складається з таких основних частин:

• Корпус. Міцний негорючий корпус (зазвичай із пластику) утримує всі внутрішні елементи й ізолює їх від користувача. На корпусі часто вказані номінальний струм (наприклад, 16 А) і характеристика автомата (B, C або D).

• Важіль (ручка) вмикання/вимикання. Зовнішній перемикач, яким ми вручну вмикаємо або вимикаємо автомат. Пов’язаний із внутрішнім механізмом заведення пружини та розчіплення. У піднятому положенні контакти зімкнуті, в опущеному – розімкнуті. При спрацюванні автомата важіль автоматично переходить у нижнє положення.

• Гвинтові клеми (затискачі) зверху й знизу. За допомогою цих клем автомат підключають у розрив проводу фазної лінії. Верхній гвинтовий затискач з’єднується з живильним проводом (фазою від вводу чи попереднього пристрою), а нижній – із відхідною лінією, що веде до навантаження. Гвинтові затискачі фіксують провід і забезпечують надійний контакт.

• Нерухомі й рухомі контакти. Це пари струмопровідних контактів усередині автомата. Рухомий контакт закріплений на гойдалці та притискається до нерухомого контакту пружиною у ввімкненому стані автомата. Через ці контакти струм проходить по ланцюгу. При спрацюванні механізму рухомий контакт відскакує від нерухомого, розриваючи ланцюг.

• Пружинний механізм та розчіплюючий важіль. Усередині є система важелів, пружин і защіпок (спусковий механізм). Вона утримує контакти зімкнутими, доки автомат заведений, і швидко розмикає їх, коли спрацьовує будь-який із розчіплювачів. Пружина забезпечує необхідне зусилля для миттєвого розмикання контактів і створює клацання при вимкненні.

• Тепловий розчіплювач (біметалева пластина). Як описано вище, це пластина з двох металів, яка нагрівається струмом. Біметалева пластина в автоматі вигнута під навантаженням і приводить у дію розчіплюючий механізм при перевищенні струму (перевантаженні). На деяких автоматах є гвинт калібрування, який дозволяє на заводі налаштувати поріг спрацювання за перегрівом.

• Електромагнітний розчіплювач (соленоїд з осердям). Це котушка з мідного дроту з рухомим залізним осердям (плунжером). При нормальних струмах осердя утримується пружиною, але якщо струм раптово зростає (коротке замикання), магнітне поле втягує осердя всередину котушки. Осердя б’є по важелю механізму й миттєво розмикає контакти – спрацьовує відсічення. Розчіплювач автоматичного вимикача цього типу забезпечує захист від струмів короткого замикання.

• Дугогасна камера. Це набір металевих пластин (найчастіше мідних або сталевих) із невеликим зазором між ними, що перебувають у ізоляційному блоці. Коли виникає дуга при розриві контактів, вона втягується в цю камеру. Пластини ділять дугу на частини, охолоджують її та гасять. Дугогасна камера захищає контакти від руйнування і гарантує, що автомат зможе розірвати ланцюг навіть при високому струмі.

• Кріплення на DIN-рейку. На задній частині корпусу зазвичай є пластикова защіпка. Вона дозволяє встановити автоматичний вимикач на стандартну DIN-рейку в електрощитку й за потреби зняти його, потягнувши защіпку вниз викруткою.

Усі ці частини разом забезпечують надійну роботу пристрою. Коли автомат у ввімкненому стані, внутрішній ланцюг з’єднує вхід і вихід через контакти, тепловий та електромагнітний елементи. Внутрішній устрій автоматичного вимикача розраховано так, щоб при будь-якому перевищенні струму потрібний розчіплювач відключив пружинний механізм і розімкнув контакти, розірвавши подачу електроенергії.

Типи автоматичних вимикачів за характеристиками й пристроєм

Автоматичні вимикачі відрізняються за конструкцією та характеристиками спрацювання. Є різні види – від великих повітряних автоматів на тисячі ампер у промисловості до компактних модульних автоматів на DIN-рейку для квартири. Однак для побутового рівня найважливіша класифікація за струмовими характеристиками розчіплювачів. Простіше кажучи, це наскільки чутливий автомат до перевищення струму і як швидко він вимикається.

Типи автоматичних вимикачів за пристроєм розчіплювачів позначаються літерами (A, B, C, D тощо) перед номіналом струму. У сучасних будинках найпоширеніші автомати з характеристиками B, C або D. Ці літери вказують на так звану часо-струмову характеристику – залежність часу спрацювання від величини струму. Нижче наведено таблицю з основними типами та їх особливостями:

Примітка: I_ном – це номінальний струм автомата (та величина, на яку він розрахований для тривалої роботи). Струм миттєвого спрацювання – умовний поріг спрацювання електромагнітного розчіплювача (відсічення). Наприклад, автомат 16 А типу C при струмі 80 А (5×16 А) відключиться майже миттєво, а автомат 16 А типу B може спрацювати вже при ~48 А (3×16 А). Усі автомати незалежно від типу мають тепловий розчіплювач на свій номінал (перевантаження): тобто B, C і D на 16 А однаково вимкнуть навантаження близько 16–20 А через певний час. Різниця проявляється саме при коротких великих сплесках струму.

Окрім типів B, C, D, існують й інші характеристики: A (ще чутливіший, спрацьовує при ~1,5–2×Iном, зараз майже не використовується через часті хибні спрацювання), а також спеціальні K, Z для певних видів навантаження. Але у побутовій практиці пристрій і принцип дії автоматичного вимикача зазвичай розглядаються на прикладі комбінованих теплових і електромагнітних автоматів типів B, C, D, оскільки вони покривають більшість випадків.

Під час вибору автомата для будинку чи квартири зазвичай орієнтуються на тип C як найнедійніший. Тип B може застосовуватися для окремих ліній із невеликими струмами та без потужних приладів – наприклад, окрема лінія лише на світло. Тип D у житлових будинках практично не потрібен (зустрічається хіба що для вводу у великий приватний будинок із потужним обладнанням або у майстерні). В електрощитку часто використовують комбінацію: ввідний автомат ставлять менш чутливий (наприклад, C або D), а на відхідних лініях – більш чутливі (B або C). Це допомагає досягти селективності: при КЗ “б’є” лише автомат на проблемній лінії, а не вибиває всю оселю.

Як працює автомат у реальних умовах

Теорія – це добре, але як усе виглядає на практиці? Наведу приклад із власної практики. Одного разу мене викликали через постійне спрацювання автомата на кухонній лінії. При вмиканні мікрохвильовки вибиває автомат – знайома багатьом ситуація. У даному випадку на одну лінію були підключені одразу кілька потужних приладів: електрочайник (2 кВт), холодильник і мікрохвильова піч (~1,2 кВт). Усі вони підключені до розеток, захищених одним автоматом 16 А типу C. Коли господарі одночасно увімкнули чайник і мікрохвильовку, сумарний струм перевищив допустимий для автомата (близько 12–13 А від мікрохвильовки + 9 А від чайника = ~22 А, що значно вище 16 А). Як працює автомат у цій ситуації? Спочатку стрибок струму від мікрохвильовки міг задіяти електромагнітний розчіплювач, а якщо ні – протягом кількох секунд тепловий розчіплювач нагрівся й вимкнув лінію. Внаслідок цього, щойно мікрохвильовка почала нагрівати, відбулося вимкнення – автомат спрацював, знеструмивши кухню. Це і врятувало проводку: провідники нагрілися б дуже сильно, якби струм у 22 А продовжував текти по проводу, розрахованому на 16 А.

У цьому випадку вирішення проблеми було простим – перерозподілити потужні прилади на різні лінії (увімкнути чайник в іншу розетку, що живиться іншим автоматом) або прокласти окрему лінію для мікрохвильовки. У жодному разі не можна було просто встановити автомат більшого номіналу, оскільки проводка залишалася тією ж (2,5 мм² мідь під 16 А). Якби господарі самовільно поставили, скажімо, автомат на 25 А, то мікрохвильовка й чайник могли б працювати без вимкнення, але провід грівся б значно, адже 22 А для нього – це перевантаження. Згодом це призвело б до плавлення ізоляції або займання. Таким чином, правильний вибір номіналу автомата – запорука безпеки. Автомат має першим приймати удар при перевищенні струму, а не допускати перегрів кабелю.

Інший приклад із життя: коротке замикання при помилковому підключенні. Мій колега якось переплутав нуль і фазу при підключенні світильника, що викликало коротке замикання на виході автомата. Автомат (тип B, 10 А) спрацював миттєво – лунав гучний клацання, і світло в кімнаті зникло. Важіль автомата опустився у нижнє положення. Ми одразу зрозуміли, що відбулося КЗ, виправили помилку у підключенні, після чого автоматика дозволила повернути живлення. Тут спрацював електромагнітний розчіплювач: струм КЗ був величезним (десятки ампер), автомат встиг відключитися швидше, ніж нагрівся проводник і тим більше швидше, ніж спрацювали б пробки чи оплавилися дроти. Як працює автомат при короткому замиканні на практиці – для користувача це виглядає як раптове вимкнення електроенергії та клацання у щитку. Іноді можна помітити спалах або хлопок у місці замикання, але сам автомат зовні зазвичай не пошкоджений – всередині дугу загасила камера, і пристрій готовий до повторного ввімкнення після усунення несправності.

У повсякденній експлуатації автоматичні вимикачі служать вірою й правдою, рідко нагадуючи про своє існування. Якщо ваш автомат часто “вибиває”, це сигнал: або ви перевищуєте допустиме навантаження (забагато приладів одночасно, або прилад надто потужний для цієї лінії), або є проблема — наприклад, пошкодження ізоляції, що призводить до витоку або часткового короткого замикання. У будь-якому разі, нормальний автомат вимикається не просто так – він виконує свою роботу, захищаючи вашу електроустановку. У таких випадках краще викликати електрика, з’ясувати причину спрацювання та усунути її, ніж намагатись встановити більш “потужний” автомат.

Відмінність автомата від ПЗВ та дифавтомата

Початківці часто плутають автоматичний вимикач з іншими захисними пристроями – ПЗВ та диференціальним автоматом. Ці прилади можуть виглядати схоже (корпус, важіль), але виконують різні функції захисту. Стисло розглянемо, чим вони відрізняються і коли що застосовують:

• Автоматичний вимикач (ВА) – реагує лише на перевищення струму у ланцюгу. Захищає проводку від перевантаження й короткого замикання. Як працює автомат: при перевантаженні гнеться біметалева пластина (тепловий розчіплювач), при КЗ спрацьовує електромагнітна котушка. Не реагує на витік струму на землю. Зазвичай встановлюється в кожному ланцюгу (лінії) для захисту проводів і підключеної техніки.

• ПЗВ (пристрій захисного вимкнення) – реагує на диференційний струм (витік струму на землю). Усередині ПЗВ розташовано диференційний трансформатор, що порівнює струм, який іде по фазі, зі струмом, який повертається по нейтралі. У нормі вони рівні. Якщо частина струму «тікає» (наприклад, людина торкнулася фази й частина струму пішла через її тіло на землю, або пробій ізоляції на корпус приладу), то ПЗВ фіксує різницю (зазвичай 10 мА, 30 мА або більше, залежно від типу) і швидко вимикає живлення. ПЗВ не захищає від перевантаження чи КЗ – якщо ви перевищите струм, але витоку немає, лише ПЗВ не вимкнеться. Тому ПЗВ завжди встановлюється у парі з автоматом поспіль (або у дифавтоматі, див. нижче). ПЗВ захищає людей від ураження електричним струмом і запобігає пожежам при пробої ізоляції, вимикаючи мережу при найменших витоках.

• Диференційний автомат (дифавтомат). Це гібрид двох пристроїв: в одному корпусі поєднані автоматичний вимикач та ПЗВ. Тобто дифавтомат здатен відключатись і при перевантаженні/КЗ, і при витоку струму. По суті, всередині дифавтомата є і тепловий з електромагнітним розчіплювачем, і диференційний датчик витоку. На корпусі дифавтомата вказуються два параметри: номінальний струм (наприклад, 16 А, характеристика C) та чутливість за витоком (наприклад, 30 мА). Також зазвичай є кнопка “Тест” як у ПЗВ. Автоматичний вимикач + ПЗВ vs дифавтомат: функція у них зрештою однакова, але в першому випадку це два окремих пристрої, у другому – один. Дифавтомат економить місце в щитку й спрощує монтаж, однак при спрацюванні треба розбиратися, що було причиною – перевантаження чи витік (за індикаторами або методом виключення). До того ж, заміна дифавтомата при несправності зазвичай дорожча, ніж окремих пристроїв.

Головна відмінність автомата від ПЗВ у тому, що автомат захищає від надструмів (перевантажень і замикань), а ПЗВ – від витоків (диференційних струмів). Один не заміняє іншого. У домашній електромережі, як правило, потрібні обидва типи захисту: автомати на кожну лінію і додатково ПЗВ (або дифавтомати) на групи ліній для захисту від витоків. Наприклад, у квартиру часто ставлять ввідне ПЗВ на 30 mA, а після нього кілька автоматів на розетки, світло, кондиціонер тощо. Або замість пари «ПЗВ + автомати» використовують кілька дифавтоматів на різні зони квартири.

Якщо стисло: автоматичний вимикач відключиться, коли струм надто великий, а ПЗВ – коли струм “не туди” (йде на землю). Дифавтомат зробить і те, й інше. Тому замінювати автомат на одне ПЗВ неприпустимо – проводка залишиться без захисту від перевантаження! І навпаки, один лише автомат не врятує людину від удару струмом, якщо струм витоку замалий для спрацювання автомата. Сучасні стандарти (наприклад, ПУЕ у останніх редакціях) вимагають встановлювати ПЗВ на розеткові групи приміщень із підвищеною небезпекою (ванні, вуличні лінії тощо), а також рекомендують широке застосування диференційного захисту у житлі.

Висновок

Автоматичний вимикач призначений для захисту проводки й електроприладів від аварійних струмів — це незамінний “страж” вашої електропроводки. Ми розглянули його устрій і зрозуміли, як він працює: два різних принципи (тепловий та електромагнітний) дозволяють вчасно відчути й тривале перевантаження, і миттєве коротке замикання. Пристрій і принцип дії автоматичного вимикача спрямовано на одне – безпеку. Коли автомат вимикається, він запобігає перегріву кабелів, псуванню обладнання й навіть займанням.

Хочу підкреслити від себе, як практикуючого електрика: правильний вибір автомата – критично важливий. Номінал струму і характеристика (B, C, D) мають відповідати характеру навантаження й перерізу дротів у ланцюгу. У нормативних документах (наприклад, у ?? ПУЕ – Правила улаштування електроустановок, і аналогічних ?? стандартах ДСТУ) зазначено, що струм плавкого запобіжника або автомата має бути не вище допустимого тривалого струму для цієї лінії. Простіше кажучи, автомат повинен бути слабшим за провід – тоді в аварії “згорить” автомат, а провід залишиться цілим. Якщо ж встановити “надто потужний” автомат, струм при перевантаженні може не вимкнутись вчасно, проводка перегріється й може виникнути пожежа. Зворотна ситуація – автомат надто малого номіналу – призведе до постійних хибних спрацьовувань і незручностей, хоча прямої небезпеки не створить. Тому обирайте автомати за розрахунковим навантаженням і перерізом кабелю. Наприклад, на мідний провід перерізом 2,5 мм² зазвичай ставиться автомат 16 або 20 А (у квартирах частіше 16 А для розеток), а на 1,5 мм² – не більше 10 А для тривалої роботи (16 А допускається лише короткочасно). Дотримання цих правил забезпечує надійну й безпечну роботу електромережі.

Таким чином, автоматичний вимикач — пристрій і принцип дії якого засновані на поєднанні теплового й електромагнітного розчіплювачів — забезпечує комплексний захист вашої електромережі.

На завершення зазначу: сучасний автоматичний вимикач – дуже надійний і відпрацьований прилад. При правильному монтажі й експлуатації він може служити десятки років, жодного разу не відключившись дарма. Але якщо раптом “вибило пробки” (автомат відключився) – не ігноруйте цей сигнал. З’ясуйте причину, усуньте несправність або надлишкове навантаження, і знову увімкніть автомат. Автоматичний вимикач, пристрій якого ми розібрали, – ваш надійний захисник, але турбота про безпеку мережі лежить і на вас: не перевантажуйте лінії, використовуйте якісні прилади й регулярно перевіряйте стан проводки. Тоді електроенергія служитиме вам без перебоїв й надзвичайних ситуацій.

Дякую, що дочитали до кінця. Сподіваюся, тепер ви краще розумієте, як влаштований автоматичний вимикач і як він працює, і зможете застосовувати ці знання на практиці!

Автор статті: Поставити запитання експерту

Сергій Бондар

Практикуючий електромонтажник з понад 10-річним досвідом. Спеціалізується на складанні та діагностиці щитового обладнання, підборі модульної автоматики та захисті побутових і промислових мереж. Регулярно консультує клієнтів з вибору автоматичних вимикачів, ПЗВ і дифавтоматів з урахуванням ПУЕ та вимог безпеки.