Hogyan működik belülről a kismegszakító? Az elektromágneses gyorskioldó és a késleltetett hőkioldó mechanizmusok bemutatása
A cikk bemutatja a kismegszakító két védelmi mechanizmusát: az azonnal működő elektromágneses gyorskioldót, amely zárlat esetén lép működésbe, valamint a késleltetett működésű hőkioldót, amely túlterhelés esetén szakítja meg az áramkört. A szöveg érthetően magyarázza el, hogyan különbözteti meg a készülék a kétféle túláramot, és miként védi a vezeték szigetelését a károsodástól.
Tartalomjegyzék
Mi van a kismegszakító burkolata alatt? Így épül fel egy kismegszakító
Ebben a fejezetben lépésről lépésre, fényképeken és grafikákon keresztül mutatjuk be, hogyan épül fel egy kismegszakító, és mi a szerepük a belső alkatrészeknek.
A kismegszakítóban két egymástól függetlenül működő túláramvédelmi mechanizmus van beépítve.
A két védelmi mechanizmus működése merőben eltér egymástól, de ugyanarra a kapcsoló mechanikára fejtik ki a hatásukat szükség esetén. Túlterhelés ellen a kismegszakító hőkioldója véd, a zárlati áram ellen az elektromágneses gyorskioldó.
Az álló érintkező pozíciója fix, nem végez mozgást. Nyitott állapotban a kismegszakító nem vezet áramot.
Két állapot lehetséges az érintkezők tekintetében: a nyitott és a zárt.
Zárt állapotban viszont érintkeznek, vezetőképes kapcsolatban vannak, mint ahogy a fentebb lévő képen és a lenti grafikán is látható.
Fontos megemlíteni, hogy a kismegszakító szerkezeti felépítése nincs kőbe vésve. Számtalan, gyártónként és szériánként eltérő megoldás és belső elrendezés létezik. Természetesen a működési elvük azonos.
Az energia a két egymástól függetlenül működő és sorba kötött kioldón keresztül áramlik, vagyis a megszakítón belül az áramútnak a részét képezik.
Kismegszakító működése zárlat esetén
Nincs mit szépíteni a dolgon: a zárlati áram az egyik legpusztítóbb fizikai jelenség az épületvillamosság területén.
Egy „egyszerű” rövidzárlat is rendkívül súlyos, maradandó károkat képes okozni a teljes villamos berendezésben.
Komoly sérülések keletkezhetnek a vezetékrendszerben, és nagyon is reális veszéllyé válik egy elektromos tűz kialakulása. Az utolsósorban pedig a vezetékek szigetelésének hirtelen megsemmisülése miatt azonnal számolni kell a veszélyes érintési feszültség, azaz az áramütéses balesetek közvetlen kockázatával is.
Az igazi, nagybetűs zárlat kialakulása számos módon létrejöhet: gyakran fordul elő, hogy egy gyárilag meghibásodott vagy zárlatos készülék csatlakozik a hálózatra, de az is mindennapos, hogy valamilyen külső fizikai behatás (példák a fúrás, falvágás) éri az adott áramkört. Emellett egy új berendezés kiépítésekor, bővítésekor vagy éppen a karbantartási munkálatok során elkövetett hibás vezetékbekötés következményeként is azonnal felléphet ez a jelenség.
A gyakorlatban talán nem guarantees az a legfontosabb szempont, hogy pontosan hogyan jött létre a zárlat – legalábbis a kismegszakító szemszögéből nézve ez egyáltalán nem számít túl sokat. Az viszont, hogy a zárlatos áramkör emberi léptékkel mérve azonnal és véglegesen meg legyen szakítva, már a legfőbb kulcsfontosságú tényezőként kezelendő.
A kismegszakítónak pontosan ez az egyik legfontosabb életvédelmi feladata. A kismegszakító fel van szerelve egy áramérzékeny, belső elektromágneses gyorskioldóval. Ez a tekercses elektromágneses egység azonnal érzékeli a hálózatban hirtelen fellépő, rendellenes nagyságú áramlökést, és késleltetés nélkül, mechanikai úton hatást gyakorol a kioldószerkezetre. Ekkor a kismegszakító a másodperc törtrésze alatt lekapcsol, még mielőtt a pusztító hő kárt tehetne a rézvezető szigetelésében.
A fenti szemléltető képen egy zárlatossá vált hűtőgép esete látható. A fázis- és a nullavezető között elhanyagolható hurokellenállású zárlat jött létre a belső szigetelés sérülése miatt, ezért az áramkörben hatalmas zárlati áram indul meg. A meginduló áram ebben a fázisban kiloamperes (kA) nagyságrendű, ami az áramérzékeny, késleltetés nélküli elektromágneses pillanatkioldót a másodperc ezredrésze alatt működésbe hozza.
Mi történik zárlat megszakítása során a kismegszakító belsejében? A zárlati kioldó szerepe és működése
De miért jelent ekkora veszélyt a rövidzárlat a hálózatra? A válasz nagyon egyszerű: a hiba pillanatában hirtelen hatalmas áram fog megindulni a zárlatos áramkörben, amely a névleges áramértékektől drámaian nagyobb lesz. Kellően alacsony hurokellenállás (impedancia) esetén akár több kiloamper (kA) nagyságrendű is lehet a megindult áram mennyisége.
Hogy ez a hibaáram pontosan mekkora értéket ér el, azt számos helyi hálózati tényező befolyásolja, de az teljesen biztos, hogy ha a kört nem szakítjuk meg a lehető leggyorsabban, annak rendkívül súlyos következményei lesznek. A zárlati árammal járó hatalmas hőhatás a vezeték műanyag szigetelését akár néhány másodpercen belül teljesen megsemmisítheti.
Még a hagyományos háztartások esetében is kiloamper nagyságrendű áramok alakulhatnak ki egy-egy komolyabb hiba során. A leggyakrabban előforduló zárlattípusok a fázis–nulla és a fázis–föld zárlatok. Mivel azonban számos háztartás rendelkezik háromfázisú csatlakozással is, ezekben az esetekben a két fázis közötti, úgynevezett fázis–fázis zárlat kialakulása sem zárható ki.
Lényeges megjegyezni, hogy pontosan erre a belső elektromágneses gyorskioldóra vonatkoznak a korábban részletezett azonnali kioldási (B, C és D) karakterisztikák is.
Az elektromágneses, késleltetés nélküli gyorskioldó legfontosabb alkatrészei a mozgó vasmag és az azt körülvevő tekercs. Nyugalmi állapotban ezt a belső vasmagot egy kalibrált rugó tartja a fix pozíciójában.
A rövidzárlat következtében meginduló, a névlegestől nagyságrendekkel nagyobb áram hatására a gyorskioldó tekercse körül hirtelen intenzív mágneses mező keletkezik. Ez a mágneses erőhatás – a fizika törvényeinek maradéktalanul engedelmeskedve – hirtelen berántja vagy kimozdítja a belső vasmagot a tartórugó ellenében.
A villámgyorsan kimozduló vasmag egy mechanikus csapon keresztül közvetlen ütést gyakorol a mozgó érintkezőre, aminek következtében a zárlatos áramkör azonnal megszakad. Az áramkör fizikai bontása után a mágneses mezőt tápláló zárlati áram azon nyomban megszűnik, és az eredeti helyzetéből kitolt vasmagot a feszített rögzítőrugó azonnal visszanyomja a kiindulási alapállapotába.
Kismegszakító működése túlterhelés esetén
A túlterhelés ugyancsak egy pusztító jelenség az épületvillamosság területén. Való igaz, hogy ez nem egy annyira gyorsan lezajló, hirtelen és drámai esemény, mint a rövidzárlat, de végeredményben a hálózatra gyakorolt negatív hatása teljesen ugyanaz lesz: a vezeték szigetelése tartósan nem fogja tudni a feladatát ellátni, és mindenféle ebből adódó probléma fog jelentkezni (szivárgóáramok, veszélyes érintési feszültség, zárlat, végül pedig az elektromos tűz).
Az áramjárta vezető sajnos üzemszerűen melegszik, ezt a fizikai tényt tudomásul kell venni. Ez a megállapítás elsődlegesen a vezeték szigetelésének a szempontjából rendkívül fontos. A vezeték szigetelésének az élettartama a megengedettnél magasabb hőmérséklet hatására drasztikusan csökken. A kialakuló hőmérséklet viszont szoros összefüggésben van a vezetéken áthajtott áram mennyiségével is, így nyilvánvalóan a megengedettnél nagyobb áram hatására a hálózat hőmérséklete is egyre nagyobb lesz.
Példaként felhozható szinte bármelyik régebbi panellakás, ahol kevés a kiépített áramkör, cserébe viszont ma már rengeteg modern fogyasztó üzemel. Jelen esetben tételezzük fel, hogy minden gép rendesen működik, és mondjuk azt, hogy alapvetően jó műszaki állapotban van a panel belső vezetékhálózata is. Csak hát az adottságok miatt egyetlen áramkörről üzemel a teljes konyha és a fürdőszoba is. Ez a túlterhelt áramkör egy C16-os kismegszakítóval van védve, de az egyidejűleg bekapcsolt fogyasztók már lényegesen több áramot vesznek ki a rendszerből, mint 16 Amper.
Az átfolyó áram mennyisége ebben a fázisban még bőven a rövidzárlati kioldási tartomány alatt van, de a kismegszakító névleges áramértékét már mintegy 40%-kal meghaladja.
Ezt a védelmi készülék szempontjából vett többletáramot a kismegszakító egy bizonyos ideig engedi a hálózatban folyni, majd ezt követően teszi a dolgát és automatikusan lekapcsol. Ezzel hatékonyan megakadályozza azt, hogy a vezetékek szigetelése huzamosabb ideig legyen kitéve a már maradandó károsodást okozó hőhatásnak.
Ugyanakkor nagyon fontos megjegyezni, hogy a túlterhelés bizonyos esetekben lehet teljesen üzemszerű is! A kismegszakító belső mechanikájának a tervezés során ezt a tényezőt is kötelezően figyelembe kellett vennie: a készüléknek pontosan különbséget kell tudnia tenni az ideiglenes, üzemszerű áramcsúcsok (például egy villanymotor elindítása) és a tartós, káros túlterhelések között.
Tehát a túlterhelés káros hatásait úgy kell a készüléknek kivédenie, hogy az energiaellátás indokolt folytonosságát feleslegesen nem veszélyezteti. Ennek a pontos fizikai megvalósításához egy belső ikerfém (bimetall) eltérő hőtágulási tulajdonságai vannak mérnöki módon kihasználva.
Mi történik túlterhelés során a kismegszakító belsejében? A hőkioldás szerepe és működése
A kismegszakító belsejében elhelyezett bimetall közvetlenül az áramút részét képezi. Ahogy a névleges értéknél nagyobb túlterhelési áram halad át rajta, a saját belső ellenállása miatt folyamatosan növekszik a hőmérséklete. Ennek a melegedésnek a hatására az ikerfém elkezd kimozdulni a hideg alapállapotának megfelelő pozíciójából, egészen addig a pontig, amíg fizikai deformációjával el nem éri a megszakítószerkezet kioldókarját. Ekkor a kismegszakító önműködően és azonnal lekapcsol.
Rendkívül fontos figyelembe venni azt a gyakorlati tényt is, hogy miután a készülék lekapcsolt – vagy akár nem kapcsolható le, de a névlegesnél nagyobb áram haladt át rajta, és az ikerfém emiatt már részlegesen kimozdult a helyéről –, bizonyos időbe telik, amíg a szerkezet teljesen lehűl, és visszatér az eredeti, kiindulási pozíciójába. Ezen termikus tehetetlenség miatt egy túlterhelés miatti leoldást követően a kismegszakító sokszor nem kapcsolható vissza azonnal.
Ebből a fizikai folyamatból jól látszik az is, hogy a külső környezeti hőmérséklet milyen erőteljes mértékben képes befolyásolni a kismegszakító hőkioldójának pontos működését.
Szintén kiemelten fontos tervezési paraméter a kismegszakító környezeti hőfüggése. A külső környezeti hőmérséklet a termikus bimetallos kioldó működési paramétereit nagymértékben képes eltolni pozitív vagy negatív irányba, amivel a villamos hálózatok méretezése során a mérnököknek szinte minden esetben kötelezően számolniuk kell.
A gyártók a kismegszakítók hivatalos adatlapján részletesen feltüntetik ezeket a hőfüggésre vonatkozó korrekciós adatokat, pontos táblázatokba rendezve. Ott egyértelműen és feketén-fehéren láthatók az ikerfémre vonatkozó idő- és áramértékek, valamint az, hogy azok mekkora mértékben változnak meg a szabványos, 30 Celsius-fokon mért gyári bázisértékekhez képest.
Villamos ív kioltása a kismegszakítóban: a Deion-lemezes ívoltókamra működése
A kismegszakító feladata ott még korántsem ér véget, hogy mechanikusan bontja a zárlatos vagy a túlterhelt áramkört. A terhelés alatt lévő áramkörök kézi lekapcsolásakor, vagy az önműködő lekapcsolást eredményező túláramok fellépése esetén az álló és a mozgó érintkezők fizikai eltávolodásakor egy rendkívül forró villamos ív keletkezik.
A főleg a zárlati áram megszakítása során keletkező villamos ív hatékony kioltása extrém fontosságú biztonsági tényező!
A megszakítás pillanatában keletkezett villamos ív a belső kialakítás miatt azonnal az ívoltókamrába terelődik, amely geometriai felépítéséből adódóan apró részekre darabolja, hirtelen lehűti és végül véglegesen ki is oltja azt.
A villamos ív biztonságos és gyors kioltása kulcsfontosságú az egész épület védelme szempontjából. Az elosztószekrényben elhelyezett ívoltókamra akadályozza meg azt a katasztrofális eseményt, hogy egy komolyabb, combosabb zárlat megszakítása után ne égjen azon nyomban porrá az egész kismegszakító a fellépő plazmahatás következtében.