Европейские электрические предохранители и автоматические выключатели

Предохранители — это более старые защитные устройства, которые до сих пор используются в некоторых домах, но в значительной степени были вытеснены автоматическими выключателями. Предохранитель — это небольшое цилиндрическое устройство, содержащее провод или нить, которые плавятся, когда электрический ток превышает определенный уровень. Когда предохранитель плавится, он размыкает цепь и останавливает поток электричества. Предохранители имеют различные номиналы, которые указывают на максимальный ток, способный безопасно протекать через них. Если предохранитель перегорает, его необходимо заменить новым с таким же номиналом.

Автоматические выключатели, с другой стороны, являются более современными защитными устройствами, которые используют электромеханический переключатель для размыкания цепи, когда ток превышает определенный уровень. В отличие от предохранителей, автоматические выключатели можно вернуть в рабочее состояние после срабатывания, что делает их более удобными в использовании. Автоматические выключатели бывают разных размеров и номиналов, которые указывают на максимальный ток, способный безопасно протекать через них. Если автоматический выключатель срабатывает, его можно включить обратно, переведя переключатель в положение «включено».

В целом, автоматические выключатели считаются более надежными и удобными, чем предохранители, но оба устройства выполняют одну и ту же основную функцию — защиту домашней электропроводки от повреждений, вызванных перегрузкой или коротким замыканием. Важно убедиться, что предохранители или автоматические выключатели, используемые в вашем доме, рассчитаны на соответствующую электрическую нагрузку, которую они защищают.

Низковольтные предохранители в соответствии с IEC 60269 (ранее IEC 269, эквивалентно EN 60269 и VDE 0636) используются в распределительных сетях, промышленности и конечными потребителями, например, в распределительных щитах. Типичное номинальное напряжение составляет 230/400 В переменного тока. Для промышленных предприятий доступны конструкции, рассчитанные на напряжение до 1000 В постоянного или переменного тока.

Существуют различные типы предохранителей (такие как резьбовые предохранители, NH-предохранители и цилиндрические предохранители), которые производятся с различными классами эксплуатации (характеристиками срабатывания).

Пример времятоковой характеристики для класса эксплуатации gG (gL)

Предохранители, как и другие типы защитных устройств, характеризуются своими характеристиками срабатывания. Наряду с номинальным током и отключающей способностью, это важный параметр.

Характеристика срабатывания описывает диапазон времени срабатывания для конкретных относительных перегрузок по току по отношению к номинальному току на времятоковой диаграмме. Допуски для одной и той же характеристики относительно велики. Например, при 1,5-кратном номинальном токе время срабатывания составляет примерно один час, в то время как при 15-кратном номинальном токе (короткое замыкание) оно составляет менее 50 мс.

Характерной чертой всех времятоковых диаграмм защитных устройств является то, что диапазон допусков больше при низких перегрузках по току, чем при относительно высоких. Если требуются жесткие допуски срабатывания (например, для защиты небольшого трансформатора от перегрузки), плавкий предохранитель часто оказывается неподходящим. В качестве альтернативы используются термопредохранители или биметаллические выключатели максимального тока.

Инерционные предохранители D-типа были представлены около 1930 года. Чтобы отличить их от обычных быстродействующих предохранителей, их помечали стилизованным символом улитки или буквой Т в круге (для Швейцарии). В 1967/68 году различие между инерционными и быстродействующими (нормальными) предохранителями для защиты цепей было отменено, и был введен единый класс эксплуатации gL (позже gG). Характеристика gL (gG) является среднеинерционной, что означает, что она инерционная при низких токах короткого замыкания и быстродействующая при высоких токах. Маркировка символом улитки сохранялась для предохранителей gL D-типа десятилетиями.

Как правило, для предохранителей класса эксплуатации gG (gL) действует правило: когда ток превышает четырехкратный номинальный ток (или пятикратный для gL), предохранитель срабатывает в течение пяти секунд, а когда он превышает девятикратный номинальный ток, время срабатывания составляет 0,2 секунды.

Класс эксплуатации низковольтного предохранителя обозначается двумя буквами, где первая буква указывает на функциональный класс, а вторая — на объект защиты. Функциональный класс предохранителя указывает на его способность проводить определенные токи без повреждений и прерывать перегрузки по току выше определенного диапазона.

Существует два функциональных класса:

В отношении защищаемых объектов различают:

В совокупности это дает следующие распространенные классы эксплуатации:

Европейские и американские предохранители различаются по определению номинального тока и характеристикам срабатывания.

Тесно связана с характеристикой срабатывания селективность системы электрораспределения: в случае короткого замыкания или перегрузки должен срабатывать только предохранитель поврежденной цепи, но не вышестоящие предохранители, защищающие также другие цепи. Поэтому предохранители должны быть скоординированы друг с другом по характеристикам срабатывания.

В случае короткого замыкания или высокого пускового тока важна пропускаемая энергия I²t (интеграл квадрата тока по времени, также известный как интеграл плавления или токовый интеграл). При умножении на омическое сопротивление предохранителя она описывает значение энергии, которое почти не вызывает срабатывания предохранителя: рассеиваемая мощность (джоулево тепло) на плавком элементе зависит от квадрата тока и приводит к определенной температуре, которая вызывает срабатывание предохранителя в течение определенного времени. Пропускаемую энергию не следует использовать полностью при проектировании предохранителей, так как они подвергаются термическим изменениям за многие такие циклы переключения и могут сработать преждевременно.

Резьбовой держатель для D-предохранителя состоит из неподвижного основания предохранителя с установочным элементом (калиброванным кольцом) и съемного винтового колпачка с окном. Плавкий элемент (плавкая вставка, предохранительный картридж) имеет цветной индикатор состояния (маркер идентификации, также индикатор состояния коммутации или детектор прерывания), который находится за окном винтового колпачка при вкрученном предохранителе, и контактный выступ, соответствующий диаметру установочной вставки. Установочные вставки часто имеют цветовую маркировку, идентичную цвету индикаторного элемента предохранителя (см. таблицу ниже). Внутренний диаметр изолированной головки установочного кольца ограничивает диаметр и, следовательно, номинальный ток используемых типоразмеров предохранителей. Винт должен быть надежно затянут специальным инструментом, который входит в два паза на цилиндрической части изоляционного корпуса, и должен быть выбран в соответствии с допустимой нагрузкой установленной линии.

Плавкая вставка — это реактивная, заменяемая часть предохранителя.

Резьбовые предохранители имеют контактные выступы с градацией диаметров в зависимости от номинального тока. Основание держателя предохранителя содержит соответствующий цветной установочный элемент (калиброванное кольцо, установочную вставку), который предотвращает использование предохранителей с более высоким номинальным током, чем предполагалось. Традиционно существует исключение для Diazed DII предохранителей, которое позволяет использовать 10 А предохранитель с 6 А калиброванным кольцом. Специальный тип обозначается как 10A/6F, 10/6A или 10R/6.

В центре головного контакта плавкой вставки находится цветная металлическая пластина — маркер идентификации, служащий индикатором состояния коммутации. Он подпружинен и удерживается проволокой с высоким сопротивлением, которая прикреплена к контактному выступу плавкой вставки. После перегорания плавкого проводника удерживающая проволока маркера идентификации также плавится, в результате чего маркер выбрасывается. Стеклянная панель в винтовом колпачке предотвращает выпадение маркера идентификации и позволяет визуально осмотреть сработавший предохранитель.

Маркеры идентификации и установочные вставки имеют цветовую маркировку в зависимости от номинального тока. При разработке предохранителей D-типа в 1906 году цвета марок серии «Германия» 1900 года были выбраны в качестве мнемонического устройства. Эти и более поздние почтовые марки имели следующие цвета: 5-пфенниговая марка — зеленая, 10-пфенниговая — красная, 15-пфенниговая — серая, 20-пфенниговая — синяя, 25-пфенниговая — желтая.

Главное отличие между предохранителями D-типа и D0-типа, помимо их размеров, заключается в допустимом рабочем напряжении: в то время как предохранители D-типа подходят для напряжения до 500 В, специальные типы — до 750 В (как переменного, так и постоянного тока), система D0 предназначена только для напряжения до 400 В переменного тока и 250 В постоянного тока.

Сегодня резьбовые предохранители класса эксплуатации gG (ранее gL до 1998 года) используются в качестве предохранителей защиты линий, например, для защиты линий к распределителям. Резьбовые предохранители иногда все еще используются в сочетании с моторными защитными выключателями для защиты двигателей при эксплуатации машин с особенно высокими пусковыми токами.

Резьбовые предохранители (D, D0) могут эксплуатироваться под нагрузкой только при следующих условиях:

• Только обученным персоналом
  • Переменное напряжение более 400 В, номинальный ток максимум 16 А
  • Постоянное напряжение 25-60 В, номинальный ток максимум 6 А
  • Постоянное напряжение 60-120 В, номинальный ток максимум 2 А
  • Постоянное напряжение 120-750 В, номинальный ток максимум 1 А
• Также неквалифицированным персоналом (laypersons)
  • Переменное напряжение макс. 400 В, номинальный ток до 63 А
  • Постоянное напряжение макс. 25 В

D-система (также DIAZED; диаметрически градуированный двухкомпонентный резьбовой предохранитель Эдисона) была разработана компанией Siemens-Schuckertwerke, первоначально в современном типоразмере DⅡ. DIAZED — это бренд, поэтому нейтральное стандартное название — D-система или D-предохранитель. Она заменила распространенные ранее цельные предохранители, которые до сих пор используются в США как «plug fuses». Новизна этой системы заключалась в разделении винтового колпачка и плавкой вставки («картриджа»). D-предохранители выпускаются в пяти размерах. Обозначение состоит из буквы D и римской цифры. Инерционные типы также обозначаются как DT.

¹Резьба винтового колпачка: E = резьба Эдисона, G = трубная резьба (прямая), R = трубная резьба (коническая внешняя)

Предохранители NDz (реже называемые ND или DⅠ) с меньшим диаметром были представлены в конце 1920-х годов и также называются «эконом-картриджами», потому что их можно установить в DⅡ-патроны с помощью переходной втулки. Сегодня они почти не используются в старых установках, хотя короткая конструкция DⅠ с резьбой колпачка SE 21 широко распространена в Швейцарии. Самым распространенным предохранителем Diazed является типоразмер DⅡ. Его также можно закрепить стопорным кольцом в патронах DⅢ. Типоразмеры DⅢ, DⅣ и DⅤ до сих пор используются в старых распределительных щитах. Типоразмеры DⅣ и DⅤ уже несколько десятилетий не устанавливаются в новые системы, так как NH-предохранители лучше подходят для таких высоких токов и работы под нагрузкой. Типоразмеры DⅡ и DⅢ также доступны в обычном или удлиненном исполнении для более высокого номинального напряжения. Типичные примеры — 690 В трехфазного переменного тока в промышленности и на электростанциях, а также для систем электроснабжения железных дорог и троллейбусов до 750 В или до 1200 В.

¹Резьба винтового колпачка: E = резьба Эдисона

D0-система (также NEOZED; предохранитель нового типа DIAZED, neo: «новый») была представлена в 1967 году компаниями Siemens и Lindner как развитие доминирующей ранее D-системы (DIAZED) и заменила ее в новых установках везде, где используется предохранительная защита. Преимущества перед D-системой заключаются в меньших размерах и меньших потерях мощности (меньшее тепловыделение) при том же номинальном токе. NEOZED — это торговая марка, поэтому нейтральное стандартное название — D0-система или D0-предохранитель (произносится «Д-ноль»). D0-предохранители выпускаются в трех размерах.

Обозначение размера состоит из «D0» и арабской цифры:

¹Резьба винтового колпачка: E = резьба Эдисона, M = метрическая резьба

D01-предохранители также подходят к DL-патронам и могут использоваться в D02-патронах с помощью специальной стопорной пружины. Конструкция D03 используется очень редко, поскольку NH-предохранители оказались более надежными для высоких номинальных токов. D03-предохранители больше не разрешается устанавливать в новые системы.

Для D- и D0-предохранителей существуют патроны для винтового крепления, крепления на DIN-рейку и крепления на шину. Кроме того, для D0-предохранителей существуют предохранительные разъединители в виде патронов с интегрированным выключателем. Перед каждой заменой предохранителя патрон должен быть отключен с помощью рычага, расположенного перед предохранителями. Эта замена без напряжения и нагрузки повышает эксплуатационную безопасность и безопасность для пользователя, так как он в любом случае не может контактировать с токоведущими компонентами. В новых версиях этих разъединителей плавкие вставки больше не вкручиваются, а фиксируются пружинным контактом.

В качестве замены D-системы в ГДР была представлена компактная DL-система для 380 В переменного тока. Конструкция похожа на конструкцию предохранителей D01, но рассчитана на ток до 20 А. Для старых систем, имеющих юридическую защиту, DL-предохранители до сих пор производятся с классом эксплуатации gG и номинальным напряжением 400 В переменного тока.

D01-предохранители (NEOZED) до 16 А также подходят к патронам DL, но не наоборот.

¹Резьба винтового колпачка: E = резьба Эдисона

Низковольтные высокопроизводительные предохранители, также известные как NH-предохранители, называются ножевыми предохранителями, мечевыми предохранителями или (в связи с вводными устройствами) «танковыми» предохранителями. Характерной особенностью является значительно больший размер по сравнению с резьбовыми предохранителями, а также массивные контактные ножи на обоих концах для направления и разделения больших токов. Распространенные версии NH-предохранителей обеспечивают безопасное отключение токов короткого замыкания до 120 кА (номинальная отключающая способность), при стандартизированном номинальном токе до 1250 А (номинальный ток). Вне стандарта доступны предохранители с номинальным током до 1600 А. NH-предохранители имеют индикатор, который показывает неисправность предохранителя. В зависимости от версии он выполнен в виде откидного индикатора, установленного на торце (сверху), или в виде центрального индикатора, видимого спереди при вставленном предохранителе. Также доступны NH-предохранители с двойным индикатором (комбинированные индикаторы). NH-предохранители доступны с различными характеристиками срабатывания, которые описаны в разделе классов эксплуатации.

NH-предохранители производятся в различных размерах для разных диапазонов номинальных токов. Размер 0 больше не разрешен в новых установках.

NH-предохранители используются в диапазоне высоких токов низковольтных сетей и широко применяются на промышленных предприятиях. Они также используются в общественных энергосетях, например, в трансформаторных подстанциях, главных распределительных щитах или в шкафах учета зданий, а также в качестве предохранителей для счетчиков.

В области до счетчика в клиентских системах, TAB 2007 (Технические условия подключения операторов энергетических сетей) требуют наличия разъединяющего устройства на каждый счетчик. Цитата:

«Разъединяющее устройство — это устройство для отключения клиентской системы от распределительной сети, которое также может управляться клиентом (неспециалистом) (например, SMB).»

Селективные автоматические выключатели или Neozed-разъединители, например, соответствуют этому требованию, но NH-предохранители — нет. Поэтому NH-предохранители используются в качестве предохранителей счетчика в новых установках только в том случае, если предусмотрено другое разъединяющее устройство, которым могут управлять неспециалисты (например, в виде защиты счетчика с помощью разъединителя Neozed).

В Великобритании потребительские щиты в старых установках оснащены держателями предохранителей, в которые можно устанавливать закрытые плавкие вставки или полуоткрытые, перезаряжаемые предохранители.

В этой системе, производимой такими компаниями, как Wylex, пользователь может заменить плавкую проволоку в предохранителе. Свободную проволоку можно приобрести в супермаркетах, на заправочных станциях и в хозяйственных магазинах. Заменяемый плавкий элемент специфицирован в британском стандарте BS 3036 и может быть оснащен проволокой, рассчитанной на токи 5 А, 15 А, 20 А или 30 А.

Согласно BS 7671, номинальный ток таких предохранителей не должен превышать 0,725 от непрерывного номинального тока цепи. Автоматические выключатели могут быть использованы в качестве замены для этих предохранителей.

Возможные опасности этой системы включают работу неквалифицированных лиц с электрическими системами, преднамеренное или случайное использование предохранителей с завышенным номиналом, а также использование неподходящего, токопроводящего «материала предохранителя», такого как монеты, гвозди, шпильки, остатки проволоки или скрепки. Тип используемого материала предохранителя невозможно определить, не вынув предохранитель. Кроме того, отключающая способность перезаряжаемых предохранителей намного ниже, чем у предохранителей с песчаным наполнителем, что может привести к дуговым замыканиям в соседних установках.

Автоматические выключатели, как и плавкие вставки или силовые выключатели, могут автоматически отключать цепь в случае перегрузки или короткого замыкания. Для Германии в новых установках действуют следующие правила (в соответствии с Техническими условиями подключения в сочетании с DIN 18015-1):

• В распределительных щитах жилых помещений для цепей освещения и розеток могут использоваться только автоматические выключатели, которыми могут управлять неспециалисты. Плавкие вставки разрешены только для стационарных устройств (например, водонагревателей) или в качестве основной защиты для распределительных щитов.
• Селективные автоматические выключатели (SLS) используются для защиты в области до счетчика. NH-предохранители допускаются в этой области применения только в том случае, если предусмотрена «возможность отключения для клиента-неспециалиста», такая как разъединитель Neozed после счетчика.

В жилых или офисных помещениях обычно используются автоматические выключатели с характеристикой B. Характеристика C используется для защиты линий и устройств с высокими пусковыми токами, так как характеристика B может вызвать ложное срабатывание при запуске. При защите цепей с электронными устройствами (электронные балласты, импульсные блоки питания) с помощью автоматических выключателей особое внимание следует уделять их высоким пусковым токам.

Автоматические выключатели с характеристикой B доступны для следующих номинальных токов в соответствии с рядом Ренара: 6, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 35, 40, 50 и 63 ампера. Другие значения могут быть доступны в зависимости от производителя. Автоматические выключатели типов C, D, K и Z доступны в большем разнообразии типов со значениями менее 1 А. В жилых помещениях Германии отдельные цепи обычно защищаются автоматическими выключателями B-16 (16 А).

Характеристика H использовалась для бытовых цепей с 1950-х годов для достижения надежного быстрого срабатывания при наличии высокомпедансных сетей или замыканий на землю во время коротких замыканий. Однако при текущих условиях сети чувствительное срабатывание при коротком замыкании может быть нежелательно вызвано, затрагивая устройства с импульсными блоками питания (такие как компьютеры, телевизоры) или двигатели (такие как пылесосы). В таких случаях рекомендуется заменить автоматические выключатели H на автоматические выключатели B. Автоматический выключатель H10 обычно можно заменить на B13, так как они имеют одинаковую характеристику перегрузки.

Автоматические выключатели классифицируются не только по номинальному току и конструкции, но и по характеристике срабатывания. Текущие стандартизированные типы характеристик — B, C, D, E, K и Z, которые выделены в таблице. Два значения для срабатывания при перегрузке по току обозначают ток несрабатывания (малый испытательный ток) и ток срабатывания (большой испытательный ток). Максимальное время срабатывания применяется к току срабатывания. Некоторые производители указывают более узкие допуски для токов срабатывания при перегрузке по току и защите от короткого замыкания.

Автоматические выключатели должны быть способны отключать высокие токи короткого замыкания. Коммутационная способность, называемая номинальной предельной отключающей способностью I_cn, нормативно классифицируется следующим образом:

Кроме того, существуют требования к ограничению тока короткого замыкания. В Германии, согласно техническим условиям подключения для автоматических выключателей до 32 А, действителен только класс ограничения энергии 3 (селективный класс 3, «высокие требования»), который имеет самое высокое ограничение тока короткого замыкания согласно VDE 0641.

В случае короткого замыкания ток (ожидаемый ток короткого замыкания) очень высок и определяется только импедансом сети (внутренним сопротивлением). Автоматический выключатель ограничивает ток короткого замыкания до более низкого значения благодаря своей конструкции. Высокое ограничение энергии обеспечивает высокую селективность с вышестоящими предохранителями и защищает систему от электромагнитных воздействий.

Автоматические выключатели имеют пластиковый корпус. Старые версии были цилиндрическими и использовались вместо распространенных ранее резьбовых предохранителей в резьбовых патронах Эдисона или привинчивались тонкой металлической полосой. Современные автоматические выключатели имеют прямоугольные корпуса и могут быть установлены плотно друг к другу на монтажной рейке (DIN-рейке).

Однополюсные автоматические выключатели сегодня обычно имеют ширину в один модуль (1 TE). Ширина одного модуля составляет 18 мм. Согласно стандарту DIN 43880:1988-12, ширина установки устройств должна составлять от 17,5 до 18,0 мм. Двухполюсные версии производятся шириной 2 TE, 1.5 TE или 1 TE. Трех- и четырехполюсные автоматические выключатели соответственно шире. Существуют также автоматические выключатели шириной 1.5 TE на полюс. Они обычно рассчитаны на номинальные токи от 80 А до 125 А и/или имеют очень высокую отключающую способность. Селективный автоматический выключатель имеет ширину 1.5 TE, старые типы — 2 TE. Они устанавливаются на шину с межосевым расстоянием 40 мм. Альтернативно селективные автоматические выключатели также устанавливаются на обычные DIN-рейки, но они не помещаются в обычные распределительные щиты.

Если автоматический выключатель также должен коммутировать нейтральный провод, должны использоваться специальные автоматические выключатели, так как контакт нейтрального провода должен размыкаться с задержкой и замыкаться с опережением. Это гарантирует, что фаза никогда не будет коммутироваться без нейтрального провода.

1. Рычаг переключения для ручного включения/выключения. Также включает визуальную индикацию состояния переключателя.
2. Механизм срабатывания для размыкания автоматического выключателя в условиях неисправности.
3. Коммутационный контакт для замыкания или размыкания электрического соединения.
4. Клеммные разъемы для электрического подключения.
5. Биметаллическая пластина для тепловой защиты от перегрузки.
6. Калибровочный винт, используемый производителем для установки характеристики теплового срабатывания (часть характеристики).
7. Электромагнитная катушка срабатывания для высоких токов, типично — токов короткого замыкания.
8. Дугогасительная камера для гашения дуги при прерывании тока короткого замыкания. Дуга перемещается от размыкающегося контакта (3) в зону дугогасительной камеры, где она гасится путем разделения и охлаждения.

Механизм отключения может быть активирован четырьмя способами:

• Отключение из-за перегрузки
  • Если заданное номинальное значение тока, протекающего через автоматический выключатель, значительно превышено в течение длительного периода времени, происходит отключение. Время до отключения зависит от силы перегрузки; оно короче при высоких перегрузках, чем при незначительных отклонениях от номинального тока. Биметалл используется для запуска механизма отключения (тепловое отключение) путем изгиба при нагреве протекающим через него током.
• Электромагнитное отключение из-за короткого замыкания
  • Если в системе происходит короткое замыкание, отключение происходит в течение нескольких миллисекунд благодаря электромагниту, который питается потоком тока.
• Ручное отключение
  • Цепи могут быть отключены вручную с помощью автоматического выключателя для обслуживания или временного отключения. Для этой цели на передней панели расположен тумблер или кнопка размыкания.
• Отключение с помощью дополнительных модулей
  • Для большинства автоматических выключателей от известных производителей существуют навесные вспомогательные переключатели, устройства минимального напряжения и защиты от перегрузки по току, устройства защитного отключения (УЗО), устройства обнаружения дугового пробоя (AFDD) и приводы двигателей (автоматические повторители), которые могут использоваться для управления выключателем. Дополнительные модули крепятся справа или слева от автоматического выключателя или подключаются соответствующим образом в распределительном щите, в зависимости от выключателя.

Важной особенностью автоматических выключателей является механизм свободного расцепления. Он гарантирует, что в случае короткого замыкания произойдет немедленное срабатывание, даже если операционная рукоятка удерживается или манипулируется в положении «включено».

После срабатывания из-за перегрузки биметаллическая пластина должна сначала остыть, прежде чем можно будет выполнить сброс. Ручной сброс, необходимый для перезапуска, предупреждает пользователя о потенциальной проблеме и предотвращает автоматический сброс (отказоустойчивость). Это предотвращает неконтролируемые перезапуски перегруженного оборудования или неконтролируемую подачу питания на неисправные устройства/системы.