Миниатюрни автоматични прекъсвачи

Миниатюрният автоматичен прекъсвач (Miniature Circuit Breaker - MCB) изключва автоматично електрическата верига при ненормално състояние на свързаните към него консуматори, при претоварване на защитаваната верига, както и при условия на късо съединение. Днес MCB се използва в електрическите инсталации ниско напрежение вместо стопяем предпазител, който е много по-чувствителен към токово претоварване. Прекъсвачът представлява автоматичен електрически превключвател, предназначен да предпази електрическата верига от повреди, причинени от ток на претоварване или късо съединение. Основната му функция е да прекъсва захранването на защитаваната верига, след като е открита неизправност. 

Работата с MCB е електрически по-безопасна в сравнение със стопяемите предпазители, чрез които бързо възстановяване на захранването не е възможно, тъй като трябва да бъдат подменени техните вложки. При токово претоварване възстановяването при защита с миниатюрен прекъсвач е лесно, тъй като той просто трябва да се включи отново, за да възобнови нормалната си работа.

Текст: списание Енергия

Миниатюрният прекъсвач е електромагнитно устройство, оформено в корпус от формован изолационен материал. Основната функция на един MCB е да превключи веригата, т. е. автоматично да отвори веригата, която е свързана към него, когато токът, преминаващ през нея, надвишава зададената стойност. Ако е необходимо, той може да бъде включен и изключен ръчно, подобно на нормалния превключвател. Всички прекъсвачи конструктивно имат общи черти, но детайлите варират значително в зависимост от номиналното напрежение, големината на тока и броя на полюсите на прекъсвача.

Големината на тока, преминаващ през MCB при претоварване, определя времезакъснението при изключване. Това означава, че прекъсвача ще се задейства винаги, когато претоварването съществува достатъчно дълго, за да създаде опасност за веригата. Поради това MCB не реагира на преходни товари като пренапрежения на превключватели и пускови токове на двигатели. Обикновено те са проектирани да сработят за по-малко от 2,5ms при късо съединение и от 2 секунди до 2 минути в случай на претоварване.

Миниатюрните прекъсвачи се произвеждат с различен брой на полюсите, като най-често са единополюсни, двуполюсни, триполюсни и четириполюсни с различни номинални токове на повреда до 125А. При неизправност многополюсните MCB изключват едновременно всички полюси, което осигурява пълна изолация. Те могат да бъдат класифицирани според номиналното напрежение 240/400VAC (еднофазни и трифазни) и изключвателната способност при късо съединение до 25kA.

MCB се използват за извършване на много функции като локални контролни превключватели, изолиращи превключватели срещу неизправности и устройства за защита от претоварване за инсталации или специфично оборудване.

Още през 1879 г. Едисън разработва идеята за прекъсвач на верига, като скицира различни концепции в своите научни списания и патентова идеята през същата година. През 1898 г. в Бостън първият прекъсвач е включвал маслен резервоар и ръчно задействани контакти. Маслото се е използвало за намаляване на топлината, генерирана от дъгата, образуваща се между двата отворени контакта. През 1900 г. американският изобретател Гранвил Уудс подобрява дизайна и създава автоматичния прекъсвач.

През 1904 г. във Филаделфия компанията Cutter Manufacturing започва да произвежда първите автоматични прекъсвачи. Този продукт става много успешен под името ITE прекъсвач или прекъсвач с инверсна характеристика на изключване.

До 1922 г. не са се появили спецификации за миниатюрните прекъсвачи, предоставяйки период от 40 години за творчески импровизации от електротехници и монтажници. Стандартите поставят граници за максималната топлина, изпитана от прекъсвача, и забраняват устройства, които водят до „изхвърляне на пламък“, за да се намали опасността от пожари.

Съвременният миниатюрен прекъсвач, подобен на използваните сега, е патентован от Brown, Boveri & Cie през 1924 г., а инженерът Хуго Щотц е бил признат за изобретател от Deutsches Reichspatent. Изобретението на Щотц е предшественикът на съвременния термомагнитен прекъсвач, който се използва в електрическите инсталации повече от 140 години, след като е бил изобретен.

Конструкция на MCB

Миниатюрният прекъсвач включва механично здрав и изолиран корпус от формован изолационен материал. Превключващата система се състои от фиксиран и движещ се контакт, към които са свързани входящите и изходящите проводници. Тоководещите части са направени от електролитна мед или сребърна сплав в зависимост от номиналния ток на прекъсване от прекъсвача.

В случай на претоварване или късо съединение контактите на MCB се разделят, в следствие на което се образува електрическа дъга. Всички съвременни миниатюрни прекъсвачи са проектирани да обработват процеса на прекъсване на дъгата, а извличането на дъговата енергия се осъществява чрез метални пластини. Тези пластини се държат в подходящо положение от изолационен материал вътре в прекъсвача.

Управляващият механизъм се състои от магнитен изключвател и термичен изключвател. Устройството за магнитно задействане на изключвателя по същество се състои от комбинирана магнитна система и индукционна бобина. Вследствие нарастването на тока във веригата, в бобината се индуктира магнитно поле, което създава предпоставки за прекъсване на веригата. В процеса на увеличаване на магнитното поле се достига до момент, в който то е достатъчно, за да преодолее съпротивлението на механизма, чрез който се държат затворени контактите на MCB. След отварянето на контактите веригата се прекъсва и късото съединение се изключва.

Устройството за термично изключване се състои от биметална пластина, която, в резултат от увеличаването на големината на тока и определени условия на претоварване в електрическата верига, задейства изключващия механизъм. Биметалната пластина се състои от два различни метала, обикновено месинг и стомана. Тези метали са занитени и заварени по дължината си. Те са проектирани така, че да не загряват пластината до точката на изключване при нормални токове, но ако токът се увеличи над номиналната стойност, лентата се затопля, огъва и издърпва фиксатора. Биметалните ленти се избират така, че да осигуряват специално закъснение при определени претоварвания.

Работа и действие на MCB

При нормални условия на работа MCB работи като превключвател (ръчен), за да се включи или изключи свързаната към него верига. При състояние на претоварване или късо съединение той автоматично сработва или се задейства, за да се осъществи прекъсване на повредената верига. Визуалната индикация за това изключване може да бъде наблюдавана чрез автоматичното преместване на външния бутон на лостовата система в положение OFF (изключен). При условия на претоварване, токът през биметалната пластина предизвиква повишаване на температурата. Генерираната топлина е достатъчна, за да предизвика деформация, която освобождава заключващото устройство и оттам контактите се отделят. При условия на късо съединение или тежки условия на претоварване, в действие влиза магнитното устройство за изключване. При нормално работно състояние магнитното поле, генерирано от намотката, не е достатъчно за привличане на фиксатора. Когато протича ток на късо съединение (к. с.), магнитното поле преодолява задържащата сила на пружината и след това задейства механизма за изключване. В повечето MCB се прилага комбинация от механизми за магнитно и термично изключване.

Видове миниатюрни прекъсвачи

MCB се класифицират в три основни типа според техните работни времетокови характеристики (криви) на изключване. Това са кривите B, C и D. Миниатюрният автоматичен прекъсвач с крива B ще изключи незабавно, ако протичащия ток в защитаваната от него верига е в границите от 3 до 5 пъти от номиналния ток. Те обикновено се използват за защита на съпротивителни или малки индуктивни товари, при които комутационните пренапрежения са много малки или липсват. Следователно, те са подходящи за жилищни или осветителни търговски инсталации.

Миниатюрният автоматичен прекъсвач с крива С ще изключи незабавно, ако протичащия ток в защитаваната от него верига е в границите от 5 до 10 пъти от номиналния ток. Те обикновено се използват за защита на големи индуктивни товари, търговски и промишлени инсталации, при които комутационните пренапрежения са големи, като например малки двигатели и флуоресцентно осветление. В такива случаи MCB с крива на изключване C, са предназначени да се справят с по-висока стойност на токове на късо съединение.

Миниатюрният автоматичен прекъсвач с крива D ще изключи незабавно, ако протичащия ток в защитаваната от него верига е в границите от 10 до 20 пъти от номиналния ток. Те обикновено се използват за защита на много големи индуктивни товари, при които големия пусков ток е много често явление. Те са подходящи за специфични промишлени и търговски приложения. Общите примери за такива приложения включват големи системи за зареждане на батерии, UPS системи, промишлено заваръчно оборудване, трансформатори, големи двигатели и др. MCB могат също така да бъдат класифицирани въз основа на броя на полюсите като 1P, 1P+N, 2P, 3P, 3P+N, 4P.

Стандартни номинални токове

Миниатюрните прекъсвачи се произвеждат в стандартни размери, като се използва система от предпочитани стойности за номиналните токове и имат фиксирана настройка за задействане. Промяната на номиналната стойност на тока във веригата изисква замяна на целия прекъсвач.

Международните стандарти IEC 60898-1 и EN 60898-1 определят номиналния ток на прекъсвач за разпределение на ниско напрежение като максималния ток, който прекъсвача е предназначен да издържи непрекъснато (при температура на околния въздух 30°C). Обикновено предпочитаните стойности за номиналния ток са на стъпки в диапазона от 1 до 125А. На корпуса на миниатюрния прекъсвач е обозначен номиналният ток в ампери, но не включва символа на величината буквата А. Вместо това цифрата, обозначаваща номиналния ток, се предхожда от буквата B, С, или D, която показва вида на кривата на изключване и минималната стойност на тока, при който прекъсвача изключва без умишлено забавяне (т. е. за по-малко от 100ms).

MCB също се класифицират според максималния ток на к. с. (изключвателна способност), който те могат да прекъснат - 6kA, 10kA, 15kA, 25kA. Това позволява използването на по-икономични устройства в инсталации, в които е малко вероятно да се развие голям ток на късо съединение, намиращи се например в голяма търговска сграда.

Аксесоари за миниатюрни прекъсвачи

Миниатюрните прекъсвачи могат да бъдат комбинирани с много аксесоари. Всички тези елементи разширяват приложението на MCB чрез защита от повишено или понижено напрежение, управление, регулиране, дистанционно управление с моторно задвижване, дистанционна индикация за позиция за включване и изключване на прекъсвача, програмиране и измерване. Комбинациите от аксесоари позволяват прекъсвачите да се прилагат в обхвата за контрол на сложни автоматизирани процеси. Тези елементи могат да бъдат взаимосвързани помежду си (напр. MCB + изключвател за ниско напрежение + спомагателен индикатор за контакт и т. н.), като по този начин те могат да образуват различни комбинации.

Избор на подходящ MCB за различни товари

Избирането на миниатюрен прекъсвач за конкретно приложение е задача, която има за цел да се осигури надеждна защита срещу претоварване и късо съединение на дадената верига. Ако той не е избран правилно, има вероятност да се получат чести нежелани отклонения.

Ако номиналният ток на избрания MCB е по-малък от този на товара, ще се получава често прекъсване на свързаната към него верига. По аналогичен начин, ако той е преоразмерен (с по-голям от номиналния ток на натоварване), товарът, свързан към него, няма да бъде защитен ефективно. В такъв случай MCB няма да се задейства, ако се получи претоварване.

При избора на MCB за конкретно приложение трябва да се имат предвид няколко фактора. Номиналният ток на прекъсвача трябва да бъде по-малък от текущата товарна способност на кабела в инсталацията и по-висока или равна на максималния ток при пълно натоварване в защитаваната верига. Кривата на изключване за незабавно управление на товарите, необходима за конкретно приложение, се определя от експлоатационните характеристики на инсталацията. Изключвателната способност, която се отнася до възможностите на MCB да изключи или прекъсне защитаваната верига при условия на късо съединение, не трябва да бъде по-малка от потенциалния ток на късо съединение. Изразява се в килоампери (kA). Потенциалният ток на късо съединение е максималният ток, който може да съществува във веригата при условия на късо съединение. В жилищните инсталации е достатъчно MCB с изключвателна способност 6kA, докато за търговски и промишлени приложения е необходима изключвателна способност от 10kA или по-голяма. Номиналното напрежение, което е непрекъснатото работно напрежение, за което е проектиран MCB. Тази стойност обикновено е еквивалентна или близка до стандартно напрежение на защитаваната инсталация. При трифазни вериги обикновено е 400V, а при еднофазни - 240V. Последният важен фактор е броят на полюсите на MCB. Той зависи от вида на управляваната/защитаваната верига - еднофазна или трифазна. Еднополюсният (1Р) MCB осигурява превключване и защита за една единствена фаза във веригата. Двуполюсният (1Р+N) MCB осигурява превключване и защита за фазата и само превключване за неутралата. Двуполюсният (2Р) MCB осигурява превключване и защита за фазата и за неутралата. Използва се в еднофазни схеми. Триполюсният (3Р) MCB осигурява превключване и защита само на три фази без неутралата. Използва се в трифазни схеми. Четириполюсният (3Р+N) MCB осигурява превключване и защита на всички три фази на веригата и само превключване на неутралата. Четириполюсният (4Р) MCB осигурява превключване и защита на всички три фази на веригата и на неутралата и се използва в случаите, когато може да протече голям ток във веригата на неутралата, както например при небалансирана трифазна верига.

Приложение и използване на MCB

Както при всички прекъсвачи, миниатюрният прекъсвач е предназначен да предпазва инсталациите от претоварване и късо съединение. Те са много по-безопасни от типичните винтови предпазители, защото могат да бъдат изключени ръчно и се справят с много по-големи токове.