Οι μικροαυτόματοι διακόπτες είναι μονάδες προστασίας που χρησιμοποιούνται καθημερινά σε όλες τις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις παγκοσμίως, αφού είναι το πιο διαδεδομένο μέσο προστασίας των καλωδίων ισχύος από υπερφορτίσεις και βραχυκυκλώματα. Ανακαλύφθηκαν το 1923 από τον Hugo Stotz και από τότε έχουν εξελιχθεί αρκετά για να συμπεριλάβουν χαρακτηριστικά, όπως διαφορετικές χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας, που να μπορούν να προσφέρουν προστασία σε διαφορετικούς τύπους ηλεκτρικών φορτίων και εφαρμογών.
Στο εργοστάσιο Stotz-Kontact της ABB παράγονται σήμερα οι περισσότερες σειρές μικροαυτόματων του ομίλου, συνεχίζοντας μια παράδοση που κρατάει σχεδόν 100 χρόνια στην παραγωγή του διασημότερου υλικού προστασίας στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις.
Πως όμως λειτουργούν οι μικροαυτόματοι διακόπτες και πόσο καλά τους γνωρίζουμε; Γιατί υπάρχουν τόσες διαφορετικές εκδόσεις μικροαυτομάτων και ποιες είναι οι κυριότερες διαφορές μεταξύ τους και ειδικότερα μεταξύ των χαρακτηριστικών καμπυλών λειτουργίας τους; Αυτά είναι μερικά από τα ερωτήματα στα οποία θα προσπαθήσει να δώσει απαντήσεις το συγκεκριμένο τεχνικό άρθρο.
Οι μικροαυτόματοι διακόπτες παρότι εκ πρώτης όψεως μπορεί να φαίνονται σαν ένα απλό και σχετικά συνηθισμένο εξάρτημα στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις, στην πραγματικότητα πρόκειται για ένα μικρό θαύμα της μηχανικής αφού αποτελείται από περισσότερα από 60 εξαρτήματα, τέλεια συνδυασμένα μεταξύ τους, για να προσφέρουν ένα πολύ έξυπνο μηχανισμό προστασίας, πολύ γρήγορο στην ενεργοποίηση, κατάλληλο για διαφορετικά είδη σφαλμάτων και με ένα εξαιρετικά αξιόπιστο τρόπο λειτουργίας.
Πιο συγκεκριμένα οι μικροαυτόματοι διακόπτες χρησιμοποιούνται για:
- Προστασία από υπερφορτίσεις (θερμικό στοιχείο)
- Προστασία από βραχυκυκλώματα (μαγνητικό στοιχείο)
- Προστασία από ηλεκτροπληξία (electric shock) μέσω αυτόματης διακοπής της τροφοδοσίας σε κυκλώματα με σύστημα γείωσης όπου δεν υπάρχει διαχωρισμός μεταξύ των αγωγών ουδετέρου και γείωσης
Η ενεργοποίηση των μικροαυτομάτων και η διακοπή της τροφοδοσίας στο κύκλωμα που παρουσιάζει το σφάλμα, γίνεται από δύο διαφορετικά στοιχεία προστασίας που διαθέτουν οι μικροαυτόματοι στο εσωτερικό τους. Το μαγνητικό στοιχείο προστασίας που ενεργοποιείται στιγμιαία σε συνθήκες βραχυκυκλώματος και εξαρτάται μόνο από την τιμή του ρεύματος βραχυκυκλώματος που το διαρρέει και το θερμικό στοιχείο προστασίας που χρησιμοποιείται για προστασία από υπερφορτίσεις και εξαρτάται από την ανύψωση της θερμοκρασίας δηλαδή από το ρεύμα και το χρόνο ταυτόχρονα. Οι απαιτήσεις για προστασία σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις περιγράφονται αναλυτικά στο πρότυπο ΕΛΟΤ HD384 και πιο συγκεκριμένα στο ΕΛΟΤ HD 384-4-43.
Το μαγνητικό στοιχείο προστασίας των μικροαυτομάτων είναι ένας ηλεκτρομαγνήτης (πηνίο) που είναι συνδεδεμένος σε σειρά με το κύκλωμα ισχύος (επαφές εισόδου-εξόδου του μικροαυτομάτου) και που στο εσωτερικό του είναι συνδεδεμένος με τον μηχανισμό απόζευξης του μικροαυτομάτου έτσι ώστε σε συνθήκες βραχυκυκλώματος να ‘’τραβήξει’’ το κινούμενο μέρος του μηχανισμού και να διακόψει την τροφοδοσία. Το θερμικό στοιχείο προστασίας αντίστοιχα, είναι ένα διμεταλλικό στοιχείο το οποίο κάμπτεται και παρασύρει και αυτό το μηχανισμό απόζευξης του μικροαυτομάτου όταν μέσα από το σώμα του διέρχεται μεγαλύτερη ένταση ρεύματος από την ονομαστική και μεγάλη χρονικό διάστημα από το επιτρεπτό.
Η πιο επικίνδυνη συνθήκη για τα καλώδια ισχύος είναι η εμφάνιση ρευμάτων βραχυκυκλώματος, συνθήκη κατά την οποία σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα αναπτύσσεται μια πάρα πολύ υψηλή τιμή ρεύματος που καταπονεί σημαντικά τόσο το σώμα του καλωδίου όσο και όλο τον ηλεκτρολογικό εξοπλισμό. Σε αυτές τις απαιτητικές συνθήκες, ο μικροαυτόματος διακόπτης που θα έχει επιλεγεί θα πρέπει να προσφέρει εξαιρετικά υψηλή απόδοση καθώς θα καλεστεί να διακόψει μια πάρα πολύ υψηλή τιμή ενέργειας που θα διαρρέει το σώμα του. Η επιλογή μικροαυτομάτων για προστασία σε βραχυκύκλωμα σύμφωνα με το πρότυπο ΕΛΟΤ HD 384-4-43, θα πρέπει να έχει λάβει υπόψη μια πολύ βασική συνθήκη για να εγγυάται την προστασία του καλωδίου. Αυτή η συνθήκη ορίζει ότι η διερχόμενη ενέργεια (let-through energy) σε σφάλμα βραχυκυκλώματος που θα επιτραπεί να περάσει από το σώμα του μικροαυτομάτου (I2 x t, <0,1s) θα πρέπει να είναι μικρότερη από τη θερμότητα Joule που επιτρέπεται να αναπτυχθεί για δεδομένη διατομή καλωδίου και που εκφράζεται από τη σχέση k2 x S2, έτσι ώστε να διασφαλίζεται η απόλυτη προστασία.
Τα όρια της έντασης του ρεύματος και του χρόνου που επιτρέπεται να διαρρέουν τον μικροαυτόματο τόσο σε συνθήκες υπερφόρτισης όσο και σε συνθήκες βραχυκυκλώματος καθορίζονται από τις καμπύλες αντίστροφου ρεύματος ή αλλιώς χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας που περιγράφουν την ‘’κανονική’’ λειτουργία ενός μικροαυτομάτου. Οι καμπύλες αυτές περιγράφουν συνδυαστικά την αντίδραση του μικροαυτομάτου και στις δύο συνθήκες και μπορούν να ονομαστούν καμπύλες υπερέντασης.
Όπως γνωρίζουμε όμως, υπάρχουν αρκετές εφαρμογές οι οποίες απαιτούν ΄΄ιδιαίτερες’’ συνθήκες λειτουργίας όπως για παράδειγμα τα επαγωγικά φορτία (κινητήρες, κλιματιστικές μονάδες, ηλεκτρονικοί λαμπτήρες φωτισμού, κ.α.) τα οποία χρειάζονται έναν ικανό χρόνο για την ομαλή εκκίνηση της λειτουργίας τους κατά τον οποίο παρουσιάζονται συνθήκες υπερέντασης χωρίς όμως να υπάρχει κάποιο σφάλμα. Για αυτό το λόγο, η ABB διαθέτει πέντε διαφορετικούς τύπους μικροαυτομάτων με διαφορετικές χαρακτηριστικές καμπύλες οι οποίες προσφέρουν διαφορετικές συνθήκες ενεργοποίησης ανάλογα με τη γραμμή που πρόκειται να προστατέψουν. Οι χαρακτηριστικές αυτές είναι:
- B, C και D για την προστασία καλωδίων από υπερεντάσεις σύμφωνα με το πρότυπο IEC/EN 60898-1
- K για την προστασία καλωδίων από υπερεντάσεις όταν τροφοδοτούνται ηλεκτρικοί κινητήρες και άλλα επαγωγικά φορτία με υψηλά ρεύματα εκκίνησης σύμφωνα με το πρότυπο IEC/EN 60947-2
- Z για για την προστασία καλωδίων από υπερεντάσεις σε εφαρμογές όπου τροφοδοτούνται ευαίσθητα ηλεκτρονικά κυκλώματα, κυκλώματα με υψηλή σύνθετη αντίσταση, μετατροπείς τάσης, κ.α. σύμφωνα με το πρότυπο IEC/EN 60947-2