Автоматический выключатель - незаменимое устройство в современном мире и один из самых важных механизмов безопасности в вашем доме. Всякий раз, когда через электрическую проводку в здании протекает слишком большой ток, эти простые устройства отключают питание до тех пор, пока кто-нибудь не устранит проблему. Без автоматических выключателей (или, в качестве альтернативы, предохранителей), бытовое электричество было бы непрактичным из-за возможности пожаров и других беспорядков, возникающих в результате простых проблем с проводкой и сбоев оборудования.
В этой статье мы узнаем, как автоматические выключатели и предохранители контролируют электрический ток и как они отключают питание, когда уровень тока становится слишком высоким. Как мы увидим, автоматический выключатель - невероятно простое решение потенциально смертельной проблемы.
Чтобы разобраться в автоматических выключателях, полезно знать, как работает электричество в доме.
Электричество определяется тремя основными атрибутами:
- Напряжение
- Текущий
- Сопротивление
Напряжение- это «давление», которое заставляет двигаться электрический заряд. Current- это «поток» заряда - скорость, с которой заряд движется по проводнику, измеренная в любой конкретной точке. Проводник оказывает определенноесопротивление этому потоку, которое варьируется в зависимости от состава и размера проводника.
Напряжение, ток и сопротивление взаимосвязаны - нельзя изменить одно, не изменив другое. Ток равен напряжению, деленному на сопротивление (обычно записывается какI=v / r). Это интуитивно понятно: если вы увеличите давление, воздействующее на электрический заряд, или уменьшите сопротивление, больше заряда будет течь. Если вы уменьшите давление или увеличите сопротивление, будет течь меньше заряда. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с разделом «Как работает электричество».
Так как же все это сочетается в вашем доме? Давайте узнаем.
Автоматический выключатель: на работе у вас дома
Распределительная сеть поставляет электроэнергию от электростанции в ваш дом. Внутри вашего дома электрический заряд движется по большой цепи, состоящей из множества меньших цепей. Один конец цепи,горячий провод, ведет к электростанции. Другой конец, называемыйнейтральным проводом, ведет кземле, поскольку горячий провод подключается к источнику высокой энергии, а нейтральный провод подключается к электрически нейтральный источник (земля), в цепи есть напряжение - заряд перемещается всякий раз, когда цепь замкнута. Говорят, что токпеременный ток, потому что он быстро меняет направление.(Дополнительную информацию см. в разделе «Как работают сети распределения электроэнергии».)
Распределительная сеть подает электроэнергию с постоянным напряжением (120 и 240 вольт в Соединенных Штатах), но сопротивление (и, следовательно, ток) варьируется в доме. Все различные лампочки и электроприборы обладают определенным сопротивлением, также называемымнагрузкой Это сопротивление и заставляет устройство работать. Например, лампочка имеет внутри нить накала, которая очень устойчива к текущему заряду. Заряду приходится много работать, чтобы двигаться вперед, что нагревает нить накала, заставляя ее светиться.
В электропроводке здания горячий провод и нейтральный провод никогда не соприкасаются напрямую. Заряд, проходящий через цепь, всегда проходит через прибор, который действует как резистор. Таким образом, электрическое сопротивление в приборах ограничивает количество заряда, которое может пройти по цепи (при постоянном напряжении и постоянном сопротивлении ток также должен быть постоянным). Приборы предназначены для поддержания тока на относительно низком уровне в целях безопасности. Слишком большой заряд, проходящий через цепь в определенное время, нагреет провода прибора и электропроводку здания до небезопасного уровня, что может привести к пожару.
Это обеспечивает бесперебойную работу электрической системы большую часть времени. Но иногда что-то будет соединять горячий провод непосредственно с нейтральным проводом или чем-то еще, ведущим к земле. Например, двигатель вентилятора может перегреться и расплавиться, сплавив горячий и нейтральный провода. Или кто-то может вбить гвоздь в стену, случайно проткнув одну из линий электропередач. Когда горячий провод подключен непосредственно к земле, сопротивление в цепи минимально, поэтому напряжение пропускает через провод огромное количество заряда. Если это продолжится, провода могут перегреться и вызвать пожар.
Работа автоматического выключателя состоит в том, чтобы отключить цепь всякий раз, когда ток превышает безопасный уровень. В следующих разделах мы узнаем, как это делается.
Дизайн выключателя: Базовый
Простейшим устройством защиты цепи является предохранитель. Предохранитель - это просто тонкий провод, заключенный в кожух, который вставляется в цепь. Когда цепь замкнута, весь заряд проходит через провод предохранителя - на предохранитель действует такой же ток, как и на любую другую точку цепи. Предохранитель предназначен длядезинтеграции при нагревании выше определенного уровня - если ток становится слишком большим, он сжигает провод. Уничтожение предохранителя размыкает цепь до того, как избыточный ток может повредить проводку здания.
Проблема с предохранителями в том, что они срабатывают только один раз. Каждый раз, когда вы перегораете предохранитель, вы должны заменить его новым. Автоматический выключатель делает то же самое, что и предохранитель - он размыкает цепь, как только ток достигает небезопасного уровня, - но вы можете использовать его снова и снова.
Основной автоматический выключатель состоит из простогопереключателя, соединенного либо с биметаллической пластиной, либо с электромагнитом. На изображении ниже показана типичная конструкция электромагнита.
Горячий провод в цепи соединяется с двумя концами переключателя. Когда переключатель переводится в положение «включено», электричество может течь от нижней клеммы через электромагнит к подвижному контакту, к неподвижному контакту и к верхней клемме.
Электричествонамагничивает электромагнит (см. Как работают электромагниты, чтобы узнать, почему). Увеличение тока увеличивает магнитную силу электромагнита, а уменьшение тока снижает магнетизм. Когда ток достигает небезопасного уровня, электромагнит достаточно силен, чтобы опустить металлический рычаг, соединенный с рычажным механизмом переключателя. Вся связь смещается, отклоняя подвижный контакт от неподвижного контакта, чтобы разорвать цепь. Электричество отключили.
Aбиметаллическая полосаконструкция работает по тому же принципу, за исключением того, что вместо возбуждения электромагнита сильный ток изгибает тонкую полоску, чтобы сдвинуть рычажный механизм. Некоторые автоматические выключатели используютвзрывной заряд, чтобы включить выключатель. Когда ток превышает определенный уровень, он воспламеняет взрывчатое вещество, которое приводит в движение поршень, открывающий переключатель.
Дизайн выключателя: Продвинутый
Более продвинутые автоматические выключатели используютэлектронные компоненты (полупроводниковые устройства) для контроля уровня тока, а не простые электрические устройства. Эти элементы намного точнее и быстрее отключают цепь, но они и намного дороже. По этой причине в большинстве домов до сих пор используются обычные электрические автоматические выключатели.
Один тип, который можно найти встроенным непосредственно в розетки, особенно рядом с раковиной в ванной, - этопрерыватель цепи замыкания на землю или GFCI. Эти сложные выключатели предназначены для защиты людей от поражения электрическим током, а не для предотвращения повреждения электропроводки в здании. GFCI постоянно отслеживает ток в нейтральном и горячем проводах цепи. Когда все работает правильно, ток в обоих проводах должен быть абсолютно одинаковым. Как только горячий провод соединяется непосредственно с землей (например, если кто-то случайно прикоснется к горячему проводу), уровень тока резко возрастает в горячем проводе, но не в нейтральном проводе. Как только это происходит, GFCI разрывает цепь, предотвращая поражение электрическим током. Поскольку не нужно ждать, пока ток поднимется до небезопасного уровня, GFCI реагирует гораздо быстрее, чем обычный выключатель.
Вся проводка в доме проходит черезцентральную панель автоматического выключателя (или панель блока предохранителей), обычно в подвале или чулане. Типичный центральный щит включает в себя около дюжины автоматических выключателей, ведущих к различным цепям в доме. В этой коробке используются два подтипа выключателей, известные как однополюсные и двухполюсные. Однополюсный выключатель пропускает ток 120 вольт и работает с большинством домашних устройств. Двухполюсный выключатель имеет два выключателя, соединенных в один, и пропускает ток 240 вольт для питания специализированных розеток для более требовательных устройств, таких как духовки и сушилки для белья. Одна цепь может включать в себя все розетки в гостиной, а другая может включать все освещение внизу. Более крупные бытовые приборы, такие как центральная система кондиционирования воздуха или холодильник, обычно включаются в собственный контур.
Другой тип, внедряемый в дома, называется прерывателем цепи дугового замыкания или AFCI. Эти выключатели электронным способом контролируют электрическую сеть дома на наличие дуговых замыканий, которые старые выключатели могут пропустить, но, тем не менее, могут привести к сильному нагреву проводки и в некоторых случаях к пожароопасности. AFCI устанавливаются вместе с типичными центральными выключателями, чтобы обеспечить широкий спектр защиты.
Для получения дополнительной информации об автоматических выключателях и других электрических системах перейдите по следующим ссылкам.
Часто задаваемые вопросы по автоматическим выключателям
Какие бывают автоматические выключатели?
Три основных типа автоматических выключателей: стандартные, GFCI и AFCI - все они имеют разную мощность и работают в разных частях дома. Стандартные автоматические выключатели бывают однополюсными или двухполюсными.
Сколько стоит замена панели автоматического выключателя?
Согласно Home Guide, средняя стоимость замены блока выключателя составляет 1 475 долларов США. Подпанель с низким усилием стоит до 1 000 долларов, обновление панели на 200 ампер стоит до 2 500 долларов, а Панель на 400 ампер может стоить до 4000 долларов. Конечно, цены будут варьироваться, поэтому свяжитесь с электриком, чтобы узнать точную стоимость вашего дома.
Что такое автоматический выключатель?
Автоматические выключатели представляют собой самовосстанавливающиеся предохранители, представляющие собой автоматические электрические выключатели, которые отключают цепь всякий раз, когда ток превышает безопасный уровень, предотвращая перегрев, плавление и возможные возгорания.
Автоматические выключатели должны быть той же марки, что и панель?
Во многих случаях выключатель одной марки подходит к панели другой марки, но это не означает, что вы должны использовать их взаимозаменяемо. Всегда устанавливайте выключатели правильной марки в панель выключателей. Замена выключателя одной марки на другую может быть опасной и может привести к аннулированию гарантии на выключатель или панель.
Что лучше: предохранитель или автоматический выключатель?
У обоих есть плюсы и минусы, связанные с ними. Предохранитель, как правило, более экономичен и считается более надежным, поскольку в нем есть движущиеся части. Автоматический выключатель, с другой стороны, не нужно заменять после каждой перегрузки, и с ним проще обращаться безопасно. Хотя это крайне маловероятно, были случаи, когда он заклинивал и не мог отключить цепь.