Как известно электричество - опасно, замыкание, пожар, горим... Разберемся в механике этого мероприятия, определим какую роль играют в защите от пожара автоматические выключатели в нашем щитке, и как оно все там взаимодействует. Сразу скажу, формул, квантовых зависимостей, и других заумностей не будет, все исключительно на бытовом уровне.
В прошлой статье я рассказал о механике электрического тока, сравнил его с потоком песка. Введем еще некоторые понятия, которые могут нам помочь. Как известно все пожары - это высокая температура, а что это такое с точки зрения физики. Температура как мы помним, если помним, из курса школьной физики это величина, характеризующая скорость движения молекул вещества. Поясню - вот у нас кусок металла, он имеет следующее строение- атомы расположены в определенных местах, жестко связаны между собой. Не совсем жестко, а скажем так - упруго. При нагревании тела атомы начинают интенсивнее раскачиваться вокруг своих мест расположения.
Если нагреваем сильнее то решетка сначала разрушается, то есть атомы срываются со своих мест и начинают свободно перемещаться относительно друг друга, не разлетаясь пока. Тогда наше вещество становится жидким, плавится. Если нагревать дальше - атомы разлетаются - вещество испаряется.
Вернемся в страну электричества. Фактически Ток - это упорядоченное движение заряженных частиц. В нашем проводе, который является твердям металлическим веществом способностью перемещаться обладают электроны, как мы видели атомы - стоят и дрожат себе на месте.
Когда электроны движутся в проводнике - они оказывают воздействие на атомы, передавая им некоторое количество своей энергии, попросту говоря наталкиваясь на них. Собственно атомы тормозят электроны - играя роль сопротивления, электроны соответственно раскачивают атомы, передавая им энергию и нагревая проводник. Кстати когда атомы раскачиваются сильнее, то они оказывают электронам большее сопротивление, это механическая модель, которая объясняет почему в проводнике при повышении температуры увеличивается сопротивление. Сразу скажу - речь только о проводниках в полупроводниках механизм передачи заряда иной и к ним эта модель неприемлема. Сейчас мы рассматриваем только ток в проводниках.
Итак - вот Вам механизм нагревания проводников. Он может нести полезную функцию, когда нагревается например спираль лампы накаливания, или тепловой элемент плиты. Там все рассчитано и все выполняет свои функции. Процесс кстати устойчивый, поскольку скорость с которой любое нагретое тело отдает тепло увеличивается с нагреванием этого тела, то подав на некоторый участок провода ток мы провоцируем его нагревание, провод начинает интенсивнее отдавать тепло и кроме того несколько увеличивает сопротивление опять же ограничивая ток. Поскольку при передаче электроэнергии к нашему устройству мы не имеем целью греть провода - нам нужно выполнить проводку имеющую как можно меньшее сопротивление.
Мы применяем медные провода. Меди имеет не очень большой показатель удельного сопротивления. Удельное сопротивление - величина которая отражает сопротивление провода единичной длины и некоторого единичного сечения.
Чем больше сечение, то есть диаметр провода - тем меньше его сопротивление. То есть если мы хотим пропустить через наш провод большой ток, то мы должны сделать его большим диаметром.
Теперь к нашим автоматам, или автоматическим выключателям. В чем их суть. Если по проводу начинает проходить слишком большой ток, то провод начинает слишком сильно нагреваться, при некоторых обстоятельствах он может вызвать воспламенение окружающего материала, то есть пожар. Для предотвращения такого развития ситуации и служит нам автоматический выключатель.
Совсем давно вместо автоматических выключателей использовались так называемые плавкие вставки.
Внутри фарфорового элемента помещался проводник, который плавился, то есть нагревался и разрушался при протекании определенного тока. Это защищало провод, который прокладывался по квартире или дому от перегрева или возгорания. Предохранитель одноразовый, сгорел - ставим новый. Поскольку мощность приборов росла, проводку никто не менял, вставки горели постоянно. "Умельцы" вставляли вместо предохранителя гвоздь и забывали про перегорание, правда это легко приводило к возгоранию проводки.
В чем минус системы - плавление процесс не быстрый. Если где-то произошло замыкание, ток растет мгновенно, в месте замыкания может возникнуть дуга, и пока плавкая вставка горит - пожар может уже и случится.
На смену вставкам пришли биметаллические предохранители.
Здесь преимуществом являлась многоразовость. При превышении тока внутри корпуса нагревался биметаллический элемент (материал имеющий свойство менять форму при нагревании), изгибался и разрывал контакт. Ток соответственно прерывался, элемент остывал и его можно было вернуть в исходное положение. Минусом была все таже маленькая скорость срабатывания. Кроме того при многократных включениях-выключениях возникала искра, контакт обгорал и мог в какой то момент или перестать включаться (это хорошо) или привариться и перестать выключаться. Это опять-же приводило к пожару. Причем оба варианта были опасны ибо не включающийся предохранитель "умелец" легко фиксировал спичкой например.
Как-же устроен современный автомат.Автома
На самом деле внутри этого прибора целых 2 предохранителя. Один аналогичный старому работает на биметаллическом элементе. Если нагрузка превышает определенный предел, начинается нагрев термоэлемента и происходит срабатывание. Именно этот предельный ток и указан в номинале выключателя. На картинке это автоматический выключатель на 20А (ампер - единица силы тока). То есть как только сила тока превысит 20А, произойдет нагрев термоэлемента и разрыв цепи. Этот процесс может быть небыстр, более того одной из характеристик устройства будет именно скорость срабатывания. Дело в том, что некоторые агрегаты, например электродвигатели, при старте пока набирают обороты потребляют больше мощности и требуют большего тока. После выхода на рабочий режим нагрузка приходит в норму. Моторов у нас много от холодильников до насосов отопления или водоотведения. Бегать к автомату после каждого пуска насоса полива воды не хочется, поэтому при выборе автомата эту характеристику надо учитывать.
Следующий параметр - ток короткого замыкания - это ток, при котором срабатывает электромагнитный расцепитель. Это такая катушка, которая под действием тока, протекающего через нее притягивает контакт. Как только ток превышает предел, контакт расцепляется - это происходит мгновенно (ну почти мгновенно)
Характеристики автоматов обозначаются буквами А, В, С, D. Есть еще некоторые промежуточные категории, их опущу.
Итак - Автоматы типа А обладают самой высокой чувствительностью. Тепловой расцепитель в устройствах с времятоковой характеристикой А чаще всего срабатывает при превышении силой тока номинала АВ на 30%. Катушка электромагнитного расцепления обесточивает сеть в течение примерно 0,05 сек, если электроток в цепи превышает номинальный на 100%. Если по какой-либо причине после увеличения силы потока электронов в два раза электромагнитный соленоид не сработал, биметаллический расцепитель отключает питание в течение 20 – 30 сек.
Аппараты категории B обладают меньшей чувствительностью, чем относящиеся к типу A. Электромагнитный расцепитель в них срабатывает при превышении номинального тока на 200%, а время на срабатывание составляет 0,015 сек. Срабатывание биметаллической пластины в размыкателе с характеристикой B при аналогичном превышении номинала АВ занимает 4-5 сек. Такой расцепитель прекрасно подойдет для жилых помещений. Его используют в сетях, которые питают светильники и розетки. Перегрев таких линий либо минимальный, либо вообще отсутствует. Меньшая чувствительность прибора не делает его качество хуже, защитные реакции срабатывают без перебоев.
Устройства типа C наиболее распространены в бытовых сетях. Их перегрузочная способность еще выше, чем у ранее описанных. Для того, чтобы произошло срабатывание соленоида электромагнитного расцепления, установленного в таком приборе, нужно, чтобы проходящий через него поток электронов превысил номинальную величину в 5 раз. Срабатывание теплового расцепителя при пятикратном превышении номинала аппарата защиты происходит через 1,5 сек. Если автоматы категории В используют для защиты отдельных ветвей сети, то С используются для всей сети в целом. Поэтому они выступают как вводные устройства в щитки, которые устанавливают на лестничных клетках.
Автоматические выключатели категории Д. Эти устройства имеют наиболее высокую перегрузочную способность. Для срабатывания электромагнитной катушки, установленной в аппарате такого типа, нужно, чтобы номинал по электротоку защитного автомата был превышен как минимум в 10 раз. Из этого следует, что для полноценной защиты D не подходят, а вот с ролью подстраховки справятся прекрасно. Поэтому их регулярно монтируют на вводе всего сооружения. Если автоматическая защита в отдельных линиях не решила проблему, обесточивание обеспечивает подстраховочный аппарат. А также их выгодно устанавливать в цепях с большим стартерным током. К таким обычно подключают мощные электродвигатели.
При подборе автоматического выключателя в некоторых случаях следует учитывать длину защищаемой цепи. Если вы например подключили тонким проводом лампочку в теплице, которая далеко от дома, то при коротком замыкании в теплице ток короткого замыкания может и не превысить значения, необходимого для расцепления.
Вот в принципе и все от простой механики, до автоматов что может объяснить на бытовом уровне как работают щитки с автоматами. Я специально не говорю про селективность и не привожу никаких формул и расчетов. Надеюсь я был не слишком скучен.