Двухполюсный автомат

Двухполюсный автомат – автоматический выключатель, одновременно обрывающий цепь нейтрали и фазы. Предназначен для цепей 220 В и ряда прочих случаев. Термин иногда встречается в теории реле, игровых автоматов, двоичных устройств для обозначения схем с единственными входом и выходом, исполняющими некую логическую функцию.

Благодарности

Без хранилища патентов Гугл мы лишились бы замечательных рисунков и интересной информации о двухполюсных автоматах. Нельзя обойти вниманием А.C. Walker (acw0855@hotpop.com) за замечательные факты, собранные этим человеком по поводу линий передачи электроэнергии и их защиты.

Конструкция

Двухполюсный автомат часто представляют, как два однополюсных автоматических выключателя. Разница в блокировке несогласованной работы. Оба автомата включаются и выключаются одновременно. Чем обеспечиваются требования ПУЭ. Желающих направим к теме электрических автоматов. Две указанные ссылки способны обеспечить информацией по конструкции и дать умеренное представление об историческом развитии вопроса.

Запрещается вместо двухполюсного применять два однополюсных автомата, связав ручки механически перемычкой. Исторически двухполюсные рубильники начали использоваться для цепей постоянного тока, чтобы гарантированно не получить удар от гальванического источника питания с равноценными обкладками.

Общая концепция

Изначально автоматические выключатели применялись не для защиты оборудования, а для регулирования напряжения. Это вызывалось необходимостью компенсации влияния молний, прочих природных факторов (включая птиц). Картину дополняли скачки напряжения, вызванные переключением, включением и выключением оборудования (мощных потребителей). Уместно напомнить, что объем производства энергии в начале XX века выглядел смехотворным. К примеру, первая в России плавучая электростанции выдавала 35 кВт мощности. Любой обогреватель мог её недогрузить или перегрузить при изменении режима работы. Для блокировки нежелательных эффектов применялись автоматические выключатели (circuit-breakers).

Об этой роли автоматов мало говорится в зарубежной литературе и умалчивается в отечественной. Несколькими подзаголовками ниже приведены типичные сентенции, которыми пытаются обосновать применение двухполюсных автоматов. Идея автоматической защиты пришла в голову инженерам после развития первых аварий. Не вся промышленная оснастка работала исправно, фото здания с защитной аппаратурой после взрыва масляного автомата приведено примером по тексту.

Типичный образчик однополюсного автомата конца XIX века видим в патенте US693416 A, выданном 18 февраля 1902 года. Это электромагнитный переключатель, при резком повышении тока в обмотке выдёргивающий якорь с контактами на себя, обрывая питание. Уже в давнее время знали об опасности дуги, для её гашения применён раздвоенный контакт ножевого типа. При втягивании якоря распрямляется механическая передача из двух плеч и защёлкивается пружиной. Возврат в работу производится вручную оператором. Принцип действия основан на накоплении энергии магнитного поля катушкой, потому линии напряжённости исчезают постепенно, промежутка времени как раз хватает для срабатывания выключателя.

Регулятивные функции двухполюсного автомата видим на примере патента US725799 A, где ряд электромагнитных переключателей подстраивают напряжение динамо-машины. Высоковольтные прерыватели цепи для защиты от токов короткого замыкания сегодня выглядят как в патенте US844353 A Франка Хартмана 1907 года.

Истинные изобретатели двухполюсного автомата (US797048 A) утверждали, что их изделие представляет механическое соединение одиночных выключателей. Оные приводятся в действие единым электромагнитным механизмом, либо вручную. Гарри Дэвис и Артур Рейндерс либо не хотели открывать тайну, либо не представляли, зачем нужен двухполюсный автомат. Обоснование выглядит так: штука с пользой применяется для уменьшения труда оператора и подвижных частей оборудования в целом.

Авторы считают, что двухполюсным автоматом удобно отключать трёхпроводные цепи, распространённые в то время (Европа, Россия, США). В Германии ток поставлялся по трём проводам. Двухполюсные автоматы долго могли служить, двухфазные системы поставки энергии существовали до конца первой половины XX века. Число линий удалось постепенно снизить повышением напряжения.

Дополнительной отраслью применения двухполюсных автоматов считают пускозащитные устройства асинхронных двигателей. В однофазной сети (ныне 230 В) пусковая и рабочая обмотки включаются одновременно, по мере разгона вала первая выводится из действия для снижения отдачи реактивной мощности. В патенте US1665223 A представлен ручной образчик подобного устройства. Франк Роллер пишет, что оператор способен одновременно замкнуть оба полюса, после разгона вала – пусковую обмотку выключить. На апрель 1928 года считалось важным изобретением.

Итог: двухполюсные автоматы преимущественно применяются в промышленности как защитные, регулирующие или технологические устройства. Для бытовой техники подобные изыски охраняют работу двухфазных устройств, встречающихся в быту (преимущественно духовки и кухонные плиты).

Необходимость применения

Профессиональные электрики по-разному объясняют необходимость применения двухполюсных автоматов. Причины сводятся к двум словам:

• авария;
• безалаберность.

Авторы считают, что причины не единственные и далеко не первые в списке. Главной целью двухполюсного автомата становится разрыв двух проводов, когда необходимо. К примеру, когда линии несут электрический потенциал, либо в помещениях с повышенной опасностью: санузел, кухня. Краткие причины, приводимые авторами в качестве аргумента для использования двухполюсного автомата:

• В домах старой застройки все провода белые, значит, нет малейшей возможности понять, где находится фаза. Приборы не различают, с какой стороны что подавать: вилки симметричные. Следовательно, возможно перепутать нейтраль и фазу. Нужен двухполюсный автомат, чтобы гарантированно отключиться. Согласно правилам, рвать лишь нейтраль нельзя по очевидным причинам: создаются благоприятные условия для поражения электрическим током при обслуживании и эксплуатации приборов неожиданно для человека.

Ответ. Приведённый аргумент не совсем верен. Электрик не вправе самовольно в щитке менять провода, по нормативам (ПУЭ и пр.) нельзя на патрон осветительного прибора заводить фазу, а в розетке по сложившимся нормам фаза находится слева. Мастер рискует лишиться работы либо стать ответственным за случайную смерть.

• Аргумент. «Мастер» способен случайно перепутать провода. Следовательно, нужен двухполюсный автомат (см. предыдущий пункт):

Ответ. Любой электрик, выполнив работу, обязан произвести проверку. Профессионал знает, что в патрон нельзя подавать фазу, а в розетке фаза располагается слева. Для проверки у мастера имеется отвёртка-индикатор, помогающая обнаружить ошибку. Наконец, хозяин способен самостоятельно проверить, не завели ли на однополюсный автомат нейтраль. Это сделать просто, открыв щиток. В старых квартирах выкручиваются лампочки, проводится проверка патрона.

• Аргумент. Мастер попался упорный и не верит, что в розетке фаза слева. Следовательно, нужен двухполюсный автомат…

1. Ответ. В старых домах розетки и освещение заводятся с единого провода. Следовательно, изменив расположение фазы, электрик заведёт её на патрон. Сослаться на ПУЭ, начальство и суд. В новых домах показать автомат, куда бедолага завёл нейтраль. По ПУЭ рвать нейтраль нельзя, не отключив одновременно и фазу.
2. Ответ №2. Попытаться уповать на человечность мастера. Если действительно нет разницы, с какой стороны находится фаза, в доме пробки и нет автомата, сказать, что для экранирования корпусов приборов на боковой лепесток заведена нейтраль. Проведено защитное зануление аппаратуры. Изменив местоположение фазы, мастер завёл на корпусы 220 В (у сетевых фильтров компьютеров в последнем случае не загорается оранжевая лампочка). Дать понять, что от микроволновой печи и компьютера сильное излучение, если цепь зануления убрать окончательно.

• Аргумент. Нейтраль способна оказаться под напряжением из-за перехлёста проводов при падении столба. Нужен двухполюсный автомат…

1. Ответ. В упомянутом случае двухполюсный автомат станет неплохой защитой. В деревне, на даче, где столбы деревянные, допустимо раскошелиться и заплатить немного больше. Что касается городских сетей, легко представить, что ждёт в случае подобного перекоса владельцев трёхфазного оборудования: большие деньги, огромные убытки, и кто-то за это заплатит. Поставщик энергии о том знает, не хочет платить и защитился от подобных случайностей.
2. Ответ №2. На случай коллизий поставщик мог заключить с промышленниками договор об установке последними автоматов контроля перекоса фаз, избегая убытка. Тогда защита двухполюсным автоматом не спасёт, ведь аппарат используется исключительно для ремонта. Не спасут и дифференциальные автоматы, человек ухватится двумя руками за корпус и за счёт напряжения прикосновения получит удар током. Защита способна не сработать.
3. Вывод. Если опасаетесь за нейтраль, защитите от заноса потенциала отдельно. Достигается, к примеру, использованием системы TN-C-S за счёт объединения нулевого провода с местным контуром заземления. На нейтрали образуется резистивный делитель, опасность тем ниже, чем меньше сопротивление заземлителя и сопротивление стекания тока в грунт.

В старых домах правила ПУЭ систематически не выполняются. И аргументацию об ошибках нельзя рассматривать всерьёз. Рекомендуется проверить все патроны под лампочки, розетки и прочее на предмет правильности электрических подключений. Это избавит от прямой опасности удара током, улучшит электромагнитную обстановку в доме. Любой провод считается источником излучения, даже если просто находится под фазой. Потолок, усеянный подобными гирляндами, светится в радиодиапазоне как новогодняя ёлка. В этом легко убедиться при помощи бесконтактной отвёртки-индикатора.

Наконец, в доме с импортной техникой рекомендуется система TN-S. Утверждение знакомо людям, разбирающимся в электронике и видевшим систему входных фильтров западной аппаратуры. В этом случае для каждой фазы сети контур заземления собственный. Иначе легко нарушить правила безопасности эксплуатации трёхфазных сетей с глухозаземлённой нейтралью. Достаточно иметь в квартире две питающие линии из трёх, что в большинстве случаев и присутствует. Обобщая – двухполюсный автомат не станет формой защиты от заноса потенциала на нейтраль. Это специализированный аппарат для эксплуатации оборудования, подключённого штатно и правильно, без ошибок.

Наконец, дифференциальный автомат не спасёт в случае заноса. Он улавливает утечку на землю, минующую нейтраль. Если попасть под напряжение прикосновения, не образованное заземлителем, работать станет не дифференциальная защита, а ограничение по максимальному току. Тогда нет разницы числу полюсов у автомата. Напрашивается вывод о необходимости нейтраль заземлить на вводе в здание. Что сделано в большинстве домов советской постройки, где неполадка столь актуальна.

Зарубежные сети TN-S безопаснее. В них нельзя использовать трёхфазное оборудование (нужны дополнительные меры), зато пользователь не пострадает от рядовой бытовой техники. Желающим полной безопасности советуем правильно обустроить систему TN-S и на территории ставить дифференциальные автоматы. Дополнительным вариантом защиты нейтрали считается установка на входе в квартиру разделительного трансформатора с заземлением на местном контуре одной из точек вторичной обмотки (не путать с защитой санузла по ГОСТ Р 50571.11). Это гарантированно предоставляет нулевой проводник. Дальнейшая защита выполняется согласно нормативам.

История: возникновение необходимости в применении двухполюсных автоматов

Изначально приняты в электричестве стандарты Николы Теслы: амплитуда напряжения 110 В. Это сегодня практикуется в соединённых штатах Америки. До Теслы был Эдисон, который обвёл Николу вокруг пальца дважды на общую сумму до 75 тыс. долларов. На момент 1885 года одна унция стоила 20,67$. Николе Тесле прогулка обошлась в 3628,5 унций золота, что составляет в районе центнера (103 кг). Авторы полагают, что в войне токов Эдисон потерял гораздо больше, а главное – заставил задуматься о реальном весе предпринимательского слова в США.

Итак, Никола Тесла настаивал на внедрении переменного тока из-за очевидных преимуществ и желания досадить Эдисону. Последний понимал, чем грозит реорганизация производства, шёл на хитрости, чтобы не допустить «пронырливого» европейца в сердцевину личного бизнеса. Обе стороны тянули одеяло на себя, несложно догадаться, это связано с двухполюсными автоматами. И связь прямая: много линий – много полюсов.

Как утверждают историки, в 1873 году Грамме передал электроэнергию на целых три четверти мили на Венской выставке. Первая, проводившаяся за пределами Англии и Франции, она предназначалась придать сил народу после поражения в войнах с Пруссией и Италией. Грамме к тому времени уже изобрёл известную динамо-машину с кольцом и демонстрировал аппарат в действии. Ток был пульсирующим, одного направления. На выставке учёный отметил, что его изобретение, согласно принципу обратимости, способно работать как электрический двигатель постоянного тока. Разумеется, в демонстрируемой конструкции стояло больше двух обмоток, в противном случае подобного бы не случилось.

Смысл сказанного: передавать постоянный ток на дальние дистанции непросто. Ток терялся на медных проводах. Следовательно, требовалось брать большое сечение, делать запас на «усадку». Через четыре года после Венской выставки Эдисон создаёт компанию и начинает продвигать приборы для освещения. Попутно конструирует счётчик электрической энергии и прочее, работающее с постоянным током. Появляется Никола Тесла… Создав первую работоспособную модель в Европе, молодой изобретатель обманут чиновниками на 25 тыс. долларов и по совету знакомого едет к Эдисону лично. Видимо, чтобы испытать американское гостеприимство.

Здесь изобретателя надувают окончательно и, промытарившись пару-тройку лет случайным заработком, Никола находит спонсора и с партнёром открывает собственную фирму. К нему подвизается Вестингауз, соратники вместе начинают борьбу за переменный ток. Дела быстро идут в гору, Эдисон старается удержать позиции. Впрочем, безуспешно. Попутно, в знаменитом Менло Парк (штат Нью-Джерси) выдумывает страшилки, мучает зверей и изобретает электрический стул, стремясь доказать опасность переменного тока. Тесла отвечает интеллектуальными методами…

Передача напряжения по проводам

Зарегистрирован рекорд (1882 год) по передаче электроэнергии. Согласно имеющимся данным торговец и организатор выставок Оскар фон Миллер из Мюнхена захотел устроить для привлечения публики нечто, соизмеримое с демонстрациями в Париже. С этой целью нанял француза (повинуясь моде на иностранцев) Марселя Депре, чтобы тот организовал передачу энергии до Мисбаха. По расстоянию выходило 35 миль (почти 70 км). По трем временам – мировой рекорд.

Демонстрация прошла поразительно успешно. Паровой двигатель на полторы лошадиные силы дудел и вырабатывал (на динамо) напряжение 2 кВ. Без труда посчитаем ток, если 1 л.с. = 0,74 (0,74) кВт. По закону Ома для участка цепи находим: 1110 / 2000 = 0,55 А. По нынешним меркам смешное число, забавно, что три четверти энергии по дороге потерялось. До потребителя ток дошёл, а напряжение упало до 500 В. Хотим показать – передача энергии на расстояние возможна исключительно при большом напряжении. По простой причине: потери на активном сопротивлении обусловлены текущим током. Для этого подняли потенциал до 2 кВ, хотя сети Эдисона рассчитаны на 110 В.

Вернёмся к Николе Тесле. На исходе 80-х учёный добился цели и начал преследовать должника – утверждавшего, что просто пошутил. Шутка ли – в 1891 году передано 200 лошадиных сил мощности на дистанцию 175 км с эффективностью 75% – с переменным током на три фазы. Линия на 15 кВ соединила выставку в Франкфурте с Лауффен-ам-Неккаром. Легко убедиться, что на упомянутом расстоянии эффективность передачи постоянного тока Депре составила бы 10% либо менее. Постоянный ток нельзя использовать с настолько огромным напряжением без преобразователей.

Научной общественности стало ясно, что, повышая вольтаж, удастся добиться неплохого результата. В 1912 году предел составил 110 кВ, в 1923 поднялся уже до 220. Что остаётся близким к сегодняшнему положению вещей. Мощнейшей линией остаётся ЛЭП Экибастуз-Кокшетау с вольтажом 1,2 МВ (1982 год). В результате КПД передачи тока на большие расстояния весьма велико. Выше 2 МВ подниматься нет смысла из-за возникающего между линией и грунтом коронного разряда. Для сегодняшних линий передач типичны потери 2,5%. В США, где напряжение ниже, теряют 7,2%.

Тесла заранее просчитал возможности, больше опираясь на разум, нежели на руки. По этому поводу у учёного вышел спор с Эдисоном, утверждавшим, что лучше испробует 100 вариантов, нежели станет сидеть и ломать голову. Тесла сумел бы передать и постоянный ток, но ради принципа не стал предпринимать подобных усилий. Эдисон единственным решением счёл использовать два провода и нейтраль (это не предел, существовали системы из четырёх и пяти проводов для постоянного тока). Этим снижались потери на линии, а параллельное соединение проводов выдавало меньшее сопротивление. Следовательно, возрастало расстояние передачи, при сравнительной безопасности.

Это произошло в 1883 году, годом позднее внедрения в обиход трёхпроводной системы Джона Хопкинсона из Англии… как раз, когда Тесла собрал первый двигатель и показал европейским предпринимателям. Что косвенно говорит о предвидении Эдисона в отношении грядущих событий. Слишком много совпадений для простой случайности. Тесла выиграл свою войну.

Наконец, пришли к идее двухполюсных автоматов: они нужны, чтобы обрывать одновременно две линии, не имеет значения – переменного или постоянного тока. Большинство держав по традиции использовали такую систему. К примеру, рекомендации ИРТО 1891 года рекомендовали внедрение трёхпроводной линии постоянного тока на 225 В (если авторы правильно поняли источники, указываемые Википедией, разъяснить подробно интерфейс сигнала никто не удосужился). Ошибочно думать, что трёхпроводная линия считается изыском. Известные европейские штепсельные розетки изобретены в довоенной Германии 30-х годов и содержали две линии под напряжением по 110 В каждая + лепестки заземления. Подобное имелось и в других государствах. Не скажем, что двухполюсный автомат остался бы без работы.

Это интересно! Эдисон взял за правило передавать напряжение на 10% большее, нежели требовалось потребителям. Запас терялся в проводах. Политика Эдисона де-факто стала хорошим тоном у всех поставщиков энергии. Сегодня цифры образуется схожим образом: 110, 220, 660 В, 6,6 кВ и пр.