Видео-версия для тех кто любит слушать и смотреть:

Итак, мы хотим захватить рынок электротехники выпустив линейку автоматических выключателей - они как предохранители, только многоразовые. Организуем стартап, собираем деньги инвесторов, написав в рекламе:

Новейшие инновационные автоматические выключатели! Защитят вашу проводку от перегрузки и короткого замыкания, отключив напряжение за доли секунды, спасая ваш дом от пожара, а генератор от поломки. Хватит покупать одноразовые предохранители, наши инновационные автоматические выключатели сохранят ваши деньги, ведь сработав, они снова готовы к работе, стоит лишь повторно их включить.

Технически реализовать такой автоматический выключатель не сложно. Ток, протекая по проводнику создает магнитное поле. Чем больше ток - тем сильнее магнитное поле. Если свернуть проводник в катушку, то мы получим электромагнит, который втягивает в себя стальной якорь с силой, пропорциональной протекающему в цепи току. Если включить этот электромагнит в цепь последовательно с нагрузкой, а якорь подпружинить и соединить с защелкой, получим простейший автоматический выключатель. Ток срабатывания будем просто регулировать натяжением пружины. Получилось как то так:

На картинке автоматический выключатель 1905 года (я позаимствовал его из книги Hortsmann, Tousley. Modern electrical construction.  1905, спасибо Web Archive, что оцифровали и выложили в открытый доступ)

Регулировочный винт натяжения пружинки оснастим приблизительной шкалой, и автоматический выключатель готов. Если где-то произошло короткое замыкание, ток резко возрастает, магнитное поле в катушке увеличивается настолько, что втягивает якорь, пересиливая пружинку. Защелка освобождает рубильник, и он под своим весом, или возвратной пружиной разрывает цепь. При этом, механизмом можно пользоваться как обычным неавтоматическим рубильником - отключать и включать цепь, когда нужно.

Практически сразу, нам начнут жаловаться на недостатки, и оба связаны с контактами. Во первых, оказалось, что у нерешительных электриков наш выключатель выходит из строя. Если очень плавно включать и выключать наш рубильник, то в месте контактов сильно искрит, и от этого оплавляются контакты. Во вторых, все проводники мы делали из меди, которая отлично проводит ток, но на воздухе окисляется. Слой окислов плохо проводит ток, возникает нагрев, из-за которого окисный слой формируется еще быстрее... в общем контакт греется и плавится.

Первый недостаток мы поборем, добавив пару пружинок и рычагов. При движении рукоятки контакты будут резко перещелкиваться, что минимизирует время, когда искра горит и портит контакты. Бонусом сделаем механизм свободного расцепления - если упорный идиот будет держать рычаг в режиме "вкл", то автоматический выключатель все равно сработает и разомкнет контакты. Со вторым недостатком сложнее. Просто покрытие меди чем-то, что не окисляется так сильно (золото, никель, олово и т.д.) поможет буквально на пару включений - искрение при коммутации (а от него полностью никогда не избавиться) быстро испортит покрытие и оголит медь. Положив глаз на столовое серебро шефа решаем проблему, сделав небольшие напайки на контакты из серебра. В один выключатель его уходит буквально доли грамма, поэтому цена выросла не сильно, зато контакт оказался гораздо надежнее.

Получилось прекрасно, можно рекламировать и продавать, как замену предохранителям. Для простоты замены, точно так же, напишем на них номинальный ток - ток, который гарантированно будет проходить через автоматический выключатель, не вызывая отключения. А вот узнать ток, при котором произойдет отключение можно будет по графикам в документации.

Но, по секрету, в личной беседе, вам расскажут, что получившееся изделие отлично работает при коротком замыкании, когда ток резко возрастает до десятков, а то и сотен раз больше номинального. Электромагнит быстро втягивает якорь и все отключается за доли секунды. А вот при небольших перегрузках механизм работает плохо. Если ток в цепи лишь немного меньше тока, при котором срабатывает автоматический выключатель, электромагниту не хватает сил втянуть якорь до конца, но вот заставить его громко вибрировать - вполне. Кроме того регулировка механизма становится весьма трудоемкой и капризной, но написать "Номинальный ток 10А +/- 5А" запретил рекламный отдел.

И вот к нам в руки, совершееееенно случайно, попадает изделие конкурентов. Ту же самую задачу они решили немного иначе. Вместо электромагнитного расцепителя они использовали тепловой, на базе биметаллической пластинки! (Биметаллическая пластинка, это пластинка из двух слоев разных металлов с разными коэффициентами теплового расширения. Если ее нагревать - она изгибается, причем довольно предсказуемо). Их логика также проста: намотаем на биметаллическую пластинку кусочек проволоки с высоким удельным сопротивлением и включим последовательно в  цепь. Чем больше ток в цепи - тем сильнее нагрев проволочки, тем сильнее изгиб биметаллической пластинки. Если нагрев достаточно сильный, пластинка сможет изогнуться и освободить защелку, отключив цепь. Механизм получился весьма компактным, что влез в корпус обычного выключателя. На фотографии выключатели с  тепловыми расцепителями.

Правда за рюмкой чая по секрету вам расскажут... что получившееся изделие отлично работает при небольшой перегрузке, когда ток превышает номинальный в 1,5-3 раза.  Тепловые процессы медленные, поэтому защита неторопливая, срабатывает за секунды-десятки секунд. А вот при коротких замыканиях механизм работает плохо - нагрев слишком сильный и неравномерный, биметаллическая пластинка может расплавиться прежде, чем сработает механизм расцепления.

Ну а дальше вы поняли:

Соединив два вида расцепителей в одном устройстве мы объединим достоинства и прикроем недостатки! Для небольших перегрузок (1,5-3 раза превышающих номинальный ток) у нас будет тепловой расцепитель, который медленный, но точный. А для больших превышений, характерных для коротких замыканий, в 10-20 раз превышающих номинальный ток у нас будет электромагнитный. Упакуем это все в корпус - пробку (что бы обеспечить обратную совместимость: вывернул предохранитель - ввернул автоматический выключатель, даже ребенок справится), напишем рабочее напряжение, и вуаля - ПАР-16 собственной персоной, выпускается до сих пор. Слева я добавил исходный предохранитель, который заменяем автоматическим выключателем-пробкой:

Для упрощения ток пустили по самой биметаллической пластинке - сама себя нагревает, сама изгибается. Последовательно с пластинкой в цепи включен электромагнит - они могут освободить защелку и разорвать цепь независимо друг от друга. Эта комбинация из теплового и электромагнитного расцепителей оказалась столь удачна, что используется в конструкции автоматических выключателей многие десятки лет.

Но снова поступают жалобы - в новых домах проводка толстая, номинальные токи большие, как итог - токи короткого замыкания огромные - тысячи ампер. Когда контакты расходятся - зажигается электрическая дуга, которая сама по себе гаснуть не хочет, ток проводит да еще сильно греется, расплавляя металл. А иногда из-за большого тока контакты свариваются меж собой, что пружина не может их разъединить. Так мы снова столкнулись с отключающей способностью - это максимальная величина тока, которую гарантированно может разорвать автоматический выключатель без вреда для себя. Если ток короткого замыкания будет больше, чем отключающая способность, то штатная работа превращается в лотерею.

Если в предохранителях для увеличения отключающей способности мы засыпали внутрь кварцевый песок, то в автоматический выключатель мы добавим  дугогасительную камеру. Это набор металлических пластинок рядом с контактами. Если при размыкании контактов зажигается дуга, то ее затягивает в пластинки, дробит на много маленьких дуг, которые быстро отдают тепло пластинкам и дуга гаснет. Единственное наглядное видео, которое я нашел - у фирмы ABB:

еперь наш автоматический выключатель способен отключить цепь с током в несколько тысяч ампер и не сломаться. Нанесем маркировку отключающей способности в виде значения тока в амперах прямоугольнике.

Чтобы горячая электрическая дуга не прожгла дыру в корпусе (повредив соседнее оборудование), добавим теплоизолирующий вкладыш: (На фото слева - керамический вкладыш. В центре - пластиковый вкладыш, справа - вместо вкладыша сделано оребрение):

Засунем все в более удобный корпус, добавим всякие мелкие приятности, вроде дырочек для пломбирования, флажочки-индикаторы состояния и т.д. Так получаем современное устройство:

Чем быстрее - тем лучше. Пока конкуренты делали рычаги механизм расцепления из металла, мы поработали и сделали механизм из высококачественного пластика. Пошаманив с усилиями пружин, добиваемся того, что наш автоматический выключатель срабатывает еще быстрее - не за десятки миллисекунд а за единицы миллисекунд, с таким быстродействием ток короткого замыкания не успевает вырасти до максимально возможных значений, что дает одни преимущества. Для отличия будем писать на корпусе класс токоограничения - показатель того, насколько быстро автоматический выключатель может отключиться. Напишем просто цифрой в квадратике, 1 - если более чем за 10 мс, 2 - если за 6-10 мс и 3, если за 2,5-6 мс.

Но снова жалобы! Говорят, автоматы наши через раз вышибает при включении мощной нагрузки. Особенно возмущались установщики светодиодного освещения. Говорят у них всего 10 светильников светодиодных с драйверами по 35 вт. Всего в сумме 350 Вт - это примерно 1,5 Ампера потребления из сети. А при включении автомат на 16А отключается. Вздыхаем, произносим мантру "нупочемуниктонечитаетинструкции", показываем пальцем:

Большинство оборудования при включении потребляет стартовые токи в несколько раз больше, чем в рабочем режиме. Именно по этому, когда вы включаете что-то мощное  свет на долю секунды притухает. Тепловой расцепитель медленный, и обычно на кратковременные перегрузки не реагирует, поэтому расширим наш ассортимент автоматических выключателей, сделав разные электромагнитные расцепители, и обозначим буквой:

B- электромагнитный расцепитель сработает  при превышении номинального тока в 3-5 раз. Подойдет для освещения, бытовых нагревательных приборов, большинства электронных устройств.

C- электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 5-10 раз. Подойдет для потребителей с двигателями, мощными трансформаторами, групп осветительных приборов.

D- электромагнитный расцепитель сработает при превышении номинального тока в 10-20 раз. Подойдет для всего остального, особенно на производстве - для приборов с могучими моторами, систем с множеством мощных импульсных блоков питания и т.д. (Правда появляется опасность, что на слабой проводке тока короткого замыкания окажется недостаточно для срабатывания. )

По специальному заказу будем поставлять еще автоматические выключатели с маркировкой  K (8-12 раз) и Z (2-3 раза), что бы у каждого был друг, который знает человека, дальний родственник которого видел их живьем и держал в руках. Ну и троллинга ради, номинальный ток автоматического выключателя напишем специально мелким, трудночитаемым шрифтом (передаю привет schneider electric).

Снабдим это все графиком время-токовых характеристик. График наглядно показывает время, за которое сработает автоматический выключатель при разных превышениях номинального тока. Вот он:

Так как у нас ощутимый разброс параметров, то вместо тонких линий на графике области, в пределах которых окажется реальное значение. Мы видим, что при небольшом превышении тока тепловой расцепитель работает одинаково, более-менее точно и медленно, при превышении тока в 1,45 раза (т.е. на автомате написано С16, а через него протекает 23А) он отключится за время менее 1 часа.. А если ток превышает номинальный в 2,55 раза - то менее чем за 1 минуту. Зато, если у нас ток на всего лишь на секунду превысит номинальный в 4 раза, то автомат "В" у нас сработает, а вот автомат "C" и "D"  не сработают.

-----------------------

Электричество - это не шутка, убьет и зажарит. Проектирование, монтаж, ремонт - должен осуществляться людьми, имеющими профильные знания и навыки. Прочтения в интернете опусов диванных специалистов, вроде меня, не достаточно для самостоятельного выполнения работы электрика.

Резюме

1. Автоматический выключатель прежде всего защищает проводку, и номинальный ток обусловлен сечением проводников.  Замена автомата на "помощнее, что б не выбивало" - весьма изощренный способ выстрелить себе в ногу.

2. Даже самые дешевые автоматические выключатели подделывают! (Почему не стоит закупать электротехнику на рынке) Закупайте электротехнику в специализированных магазинах - официальных дилерах.

3. Автоматический выключатель имеет свой срок службы, со временем стареет и меняет характеристики.  Не стоит полагать, что автомат в щитке 1975 года всегда как новенький и гарантированно сработает в аварийной ситуации.

4. Фундаментальных различий в устройстве автоматических выключателей разных производителей нет, конкуренция происходит в области качества/ассортимента/цены/маленьких приятных мелочей.

---------------------------

Для вас работает инженер Павел Серков.

Мой сайт: https://serkov.su/blog/

Мой инстаграм: https://www.instagram.com/pavel.serkov/

Ну а ютуб канал найдется по вставленному в пост видео.

Выражаю благодарность пикабушникам @mathahaka за рецензирование, @articoss за гравюры.

Материал щита:

1. Металл – прочный, ржавеет, некоторые модели имеют проблемы с быстрым доступом в автоматическим выключателям. Предпочтение стоит отдавать моделям с окошком для снятия показаний со счетчика. Примеры: ЩУГ-3 ИЭК (IP54, навесной с окошком), ЩУ 1/1-1 74 У1 ИЭК (IP54, навесной с дверью для пломбировки.)

2. Пластик – более удобны в монтаже и обслуживании, большинство моделей обеспечивают прекрасную наглядность состояния автоматических выключателей. Все модели имеют окно для снятия показаний. Не подвержены коррозии. На практике обеспечиваю большую герметичность. Примеры: ЩУРн-П 1/6 ИЭК (IP55, навесной с окошком), ЩУРн-П 3/7 с КМПН EKF (IP55, навесной с окошком). Я предпочитаю использовать пластиковые модели.

Есть интересные антивандальные корпуса из полиэстера со смотровым окном (например, серия ЭПЩУ IP65) , сочетающие в себе достоинства металических и пластиковых щитов и практически лишенные недостатков. К сожалению, на данный момент, они не получили широкого распространения и их сложно найти в продаже.

Размер щита:

Все приведенные мною модели прекрасно подходят для установки большинства трехфазных счетчиков. Однако, если вы подключаетесь через частные сети (ТСН, СНТ и т.д.) требования к счетчикам могут быть весьма специфичны. Например, довольно громоздкие модели типа Меркурий 230, Матрица NP71E.1-12-1. Лучше заранее приветить габариты счетчика и сравнить их с посадочным местом щита. Если есть сомнения, всегда используйте более объемный щит.

Также стоит выбрать более крупный щит, например ЩУРн-3/12з-0 74 У2 ИЭК (IP54, навесной), если вы планируете использовать его не только как щит учета, но и как распределительный. Например, хотите подключить от этого щита гараж или ворота, иметь дежурную розетку на границе участка и т.д. Что еще может быть в учетно-распределительном щите? Противопожарное УЗО 100-300мA, реле контроля напряжения, автоматика уличного освещения и много еще чего :) Если такие варианты будут интересны публике, я напишу от этом отдельную статью.

Способ крепления:

1. Крепление к опоре с помощью с помощью металлической бондажной ленты. Промышленный вариант крепления - обладает высокой надежностью, вандалозащищенностью, эстетикой. Требует некоторого навыка и спец. инструмента и расходников (бандажная машинка, стальная лента и скрепы).

2. Специальные комплекты крепления щитов. Они надежны и просты в установке, но обеспечивают низкую вандалозащищенность и стоят дороже. Например, комплект крепления на столб для корпуса ЩУРн-П MSP-300-2-M от IEK. Антивандальнось можно повысить использую болты типа TORX, вместо штатных. Если вы монтируете щит самостоятельно, то этот способ крепления наиболее вам подходит.

Важно обеспечить герметичность ввода.

Одно из самых надежных решений это использование сальников PG (IP54) или MG (IP65-68). В продаже именются специальные сальники для ввода 4 жил, например M20Bх1,5 от Beisit (M25B-H4-6), но они достаточно редки. Гораздо проще врезать в щит 4 отдельных сальника типа PG/MG 11(диаметр проводника 7-9мм), для вода брони подойдет сальник PG/MG 29 (диаметр проводника 18-24мм). Наиболее распространены сальники фирм IEK и TDM.

Осталось определиться со схемотехникой щита.

На изображении показаны два самых распространенных и удачных схем монтажа ЩУ. Схемы приведены с учетом заземления по схеме TN-C-S. Более подробно основные схемы заземления я рассмотрю в отдельной статье.

Именно на этом этапе и возникает большинство разногласий и споров с энергоснабжающей организацией. Вот несколько выдержек из ПУЭ, с наиболее критичной для нас информацией.

ПУЭ 1.5.36. Для безопасной установки и замены счетчиков в сетях напряжением до 380 В должна предусматриваться возможность отключения счетчика установленными до него на расстоянии не более 10 м коммутационным аппаратом или предохранителями. Снятие напряжения должно предусматриваться со всех фаз, присоединяемых к счетчику.

ПУЭ 1.5.37. Заземление (зануление) счетчиков и трансформаторов тока должно выполняться в соответствии с требованиями гл. 1.7. При этом заземляющие и нулевые защитные проводники от счетчиков и трансформаторов тока напряжением до 1 кВ до ближайшей сборки зажимов должны быть медными.

Какие важные выводы из этого мы должны сделать:

1. Коммутационный аппарат должен стоять перед счетчиком! Это может быть как автоматический выключатель, так и рубильник. В случае когда перед счетчиком установлен рубильник, необходимо защитить отходящий провод (ВБШв) автоматическим выключателем. Для защиты от несанкционированного доступа и хищения электроэнергии на этом участке применяются специальные пломбировочные боксы, например КМПн 1/4 IEK, БОМ 2/3 TDM. Также существуют специальные пломбировочные заглушки (ВА47-29, EZ9A26982) и автоматический выключатели со встроенными шторками (EKF  ВА47).

2. СИП нельзя вводить напрямую в счетчик! На рабочий ноль(N) у нас действует прямой запрет ПУЭ. Монтажника, который завел ноль в счетчик проводом СИП-4, нужно бить по голове полным изданием ПУЭ, до тех пор, пока не начнет делать свою работу нормально :)

Используйте для этой задачи распределительный блок (кросс-модуль), например блок на DIN-рейку РБ-80 1П 80А IEK, КБР 80A EKF, BRU 125A ABB и т.д. Подойдет любой блок рассчитанный на ток от 80A, с 5 и более контактами, выбирайте по наличию и бюджету.

При выборе автоматических выключателей стоит ориентироваться на бюджет. Нас интересуют АВ с параметрами С25A. Разница между дорогими и бюджетными моделями заключается в количестве коммутаций ,которые они могут обеспечить и качестве зажима вводных клемм. Если вы используете вариант ЩУ-2 (с рубильником), то можно ограничиться бюджетными моделями АВ, например ВА47-29 3Р 25А IEK или Easy9 3Р 25А SE. Если установлен только один коммутационный аппарат, то имеет смысл взять более дорогую модель, например Acty9 3Р 25А SE, C25A 3P ABB, DX3-E 3P Legrand. Большинство бюджетных щитов я собираю на SE Easy9, более дорогие на ABB S203.

СИП-4 перед вводом в АВ должен быть разделан и оконцован надлежащим образом.

Стоит использовать алюминиевые или специальные переходные алюмомедные гильзы. Хорошие результаты на практике показывает пайка, даже мягкими припоями. Отличным вариантом будет использование специальных переходных клемм, например клемма для оборудования KE 12.12 от Ensto. Вообще, тема перехода с алюминия на медь заслуживает отельной статьи. Радикально избавиться от этой проблемы можно произведя опуск по столбу с использованием медного кабеля, в таком случае переход медь-алюминий осуществляется через сжимы(проколы), обеспечивающие значительно более качественный и надежный прижим. Помните, чем бюджетнее АВ,  тем более слабый и, соответственно, менее надежный прижим он обеспечивает, тем более важно качество обжима кабеля. На моей памяти на сериях АВ S203 и Acty9 не было проблем даже с не обжатым СИП, но я вам этого не говорил, так нельзя :)) Разумеется, это применимо только к качественному СИП-4 сечением 16мм2, и только в рамках ИЖС, под вашу ответственность.

Также необходимо соблюсти цветовую маркировку фаз.

Некоторые монтажники откровенно халтурят на этом этапе, по неизвестным мне причинам. Доставайте томик ПУЭ :) Да, большинству бытовых приборов абсолютно плевать к какой фазе они подключены, но есть вероятность получить некоторое количество проблем, при сборе щита в доме или  если решите установить в гараже циркулярную пилу, генератор. Специально для подписчиков, я нарисовал табличку с основными видами цветовых схем, пользуйтесь на здоровье:)

В результате, у вас должно получиться что-то похожее на это :) Жду от вас обратной связи, по поводу темы следующей статьи. Надеюсь все осилили такой объем информации, спасибо за внимание.

P.S. Найти больше проектов и пообщаться со мной можно в VK группе inakipelo, приглашаю всех. Проживаю, в данный момент, в Туле. Критика и обсуждение в комментариях, как всегда, приветствуется.