Автоматические выключатели

Автоматический выключатель (автомат) — это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для проведения тока цепи в нормальных режимах и для автоматического отключения электроустановок при перегрузках и токах КЗ, чрезмерных понижениях напряжения и других аварийных режимах. Возможно использование автоматов для нечастых (6—30 раз в сутки) оперативных включений и отключений цепей.

Автоматические выключатели изготовляют для цепей переменного и постоянного тока одно-, двух-, трех- и четырехполюсными.

Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, называемые расцепителями, которые обеспечивают отключение при перегрузках, КЗ, снижении напряжения. Отключение может происходить без выдержки времени или с выдержкой. По собственному времени отключения t_co (промежуток от момента, когда контролируемый параметр превзошел установленное для него значение, до момента начала расхождения контактов) различают нормальные выключатели (t_{С 0} = 0,02— 1 с), выключатели с выдержкой времени (селективные) и быстродействующие выключатели (t_с._о<0,005с).

Нормальные и селективные автоматические выключатели токоограничивающим действием не обладают. Быстродействующие выключатели, так же как предохранители, обладают токоограни­чивающим действием (рис. 16), так как отключают цепь до того, как ток в ней достигнет значения ___.

Селективные автоматические выключатели позволяют осуществить селективную защиту сетей путем установки автоматических выключателей с разными выдержками времени: наименьшей у потребителя и ступенчато возрастающей к источнику питания.

Автоматические выключатели изготовляют с ручным и двигательным приводом, в стационарном или выдвижном исполнении.

Выключатель рассчитан на коммутацию предельно отключаемых и включаемых токов в цикле операций О — П — ВО — П — ВО при номинальном напряжении. Здесь О — отключение, П — пауза (<180 с), ВО — включение, отключение.

Основные элементы автоматического выключателя и их вза­имодействие рассмотрим по принципиальной схеме (рис. 18).

Контактная система выключателей на большие токи — двухступенчатая, состоит из главных 11, 5 и дугогасительных контактов 7. Главные контакты должны иметь малое переходное сопротивление, так как по ним проходит основной ток. Обычно это массивные медные контакты с серебряными накладками на неподвижных контактах и металлокерамическими накладками на подвижных контактах. Дугогасительные контакты замыкают и размыкают цепь, поэтому они должны быть устойчивы к возникающей дуге, поверхность этих контактов металлокерамическая.

При номинальных токах 630 А контактная система одноступенчатая, т.е. контакты выполняют роль главных и дугогасительных.

На рис. 18 выключатель показан в процессе отключения. Чтобы его включить, вращают рукоятку 2 или подают напряжение на электромагнитный привод 1 (YA). Возникающее усилие перемещает рычаги 3 вправо, при этом поворачивается несущая деталь 13, замыкаются сначала дугогасительные контакты 7 и со­здается цепь тока через эти контакты и гибкую связь 12, а затем главные контакты 5, 11. После завершения операции выключатель удерживается во включенном положении защелкой 14 с зубцами 15 и пружиной 16.

Отключают выключатель рукояткой 2, приводом 1 или автоматически при срабатывании расцепителей.

Максимальный расцепитель /7срабатывает при протекании по его обмотке YAT1 тока КЗ. Создается усилие, преодолевающее натяжение Р пружины 16, рычаги 3 переходят вверх за мертвую точку, в результате чего автоматический выключатель

Рис. 18. Принципиальная схема автоматического выключателя: 1 — электромагнитный привод; 2 — рукоятка ручного включения; 3 — рычаги механизма свободного расцепления; 4 — отключающая пружина; 5 — главный подвижной контакт; б— пружина; 7 — дугогасительные контакты; 8— дугогасительная камера; 9 — электродинамический компенсатор в виде шинок; 10 — пружина; 11 — главные неподвижные контакты; 12 — гибкая связь; 13 — несущая деталь; 14 — удерживающая защелка с зубцами 15 и пружиной 16; 17 — максимальный расцепитель; 18 — минимальный расцепитель

отключается под действием отключающей пружины 4. Этот же расцепитель выполняет функции независимого расцепителя. Если на нижнюю обмотку YAT2 подать напряжение кнопкой SB, он срабатывает и осуществляет дистанционное отключение.

При снижении или исчезновении напряжения срабатывает минимальный расцепитель 18и также отключается автоматический выключатель.

При отключении сначала размыкаются главные контакты, и весь ток переходит на дугогасительные контакты. На главных контактах дуга не образуется.

Дугогасительные контакты 7 размыкаются, когда главные находятся на достаточном расстоянии. Между дугогасительными контактами образуется дуга, которая выдувается вверх в дугогасительную камеру 8, где и гасится.

Дугогасительные камеры выполняются со стальными пластинами (эффект деления длинной дуги на короткие) и лабиринтноцелевыми (эффект гашения дуги в узкой щели). Втягивание дуги и камеру осуществляется магнитным дутьем. Материал камеры должен обладать высокой дугостойкостью.

При протекании тока КЗ через включенный автоматический выключатель между контактами возникают значительные электродинамические силы, превышающие силы контактных пружин 6 и 10, которые могут оторвать один контакт от другого, а образовавшаяся дуга может сварить их. Чтобы избежать самопроизвольного отключения, применяют электродинамические компенсаторы в виде шинок 9, изогнутых петлей. Токи в шинках 9 имеют разное направление, что создает электродинамическую силу, увеличивающую нажатие в контактах.

Рычаги 3 выполняют роль механизма свободного расцепления, который обеспечивает отключение автоматического выключателя в любой момент времени, в том числе при необходимости и в процессе включения. Если выключатель включается на существующее КЗ, то максимальный расцепитель 17 срабатывает и переводит рычаги 3 вверх за мертвую точку, нарушая связь привода 1 (или 2) с подвижной системой автоматического выключателя, который отключается пружиной 4, несмотря на то, что приводом будет передаваться усилие на включение. В реальных автоматических выключателях механизм свободного расцепления имеет более сложное устройство.

Защитная характеристика автоматического выключателя приведена на рис. 19. Максимальные расцепители электромагнитного типа имеют обратнозависимую от тока выдержку времени при перегрузках (участок ab) и независимую выдержку времени при токах КЗ (cd). Уставка по току регулируется в зоне перегрузки и в зоне КЗ (отсечка). Время срабатывания регулируется при I_ном, при (3— 10) I_ном и при токе КЗ. В автоматических выключателях с электромагнитными расцепителями

Рис. 19. защитная характеристика автоматического выключателя

выдержка времени в независимой от тока части характеристики достигается за счет часового анкерного механизма, в зависимой — от силы притяжения якоря электромагнита к сердечнику.

Автоматические выключатели с биметаллическими расцепителями обеспечивают обратнозависимую характеристику при перегрузках. Для защиты от КЗ в таких выключателях используются электромагнитные расцепители мгновенного действия.

В современных выключателях применяют полупроводниковые расцепители, которые обеспечивают более высокую точность срабатывания по току и времени. Структурная схема такого расцепления показана на рис. 20. Блок 1 измеряет ток защищаемой сети. В сети переменного тока в качестве блоков 1 применяют трансформаторы тока, а в сети постоянного тока — магнитные усилители. Блок 2 анализирует сигнал от блока 1. Если этот сигнал соответствует току перегрузки, то из блока 2 поступает сигнал в блок 3, который запускает полупроводниковое реле 4, создающее зависимую от тока выдержку времени (участок ab характеристики по рис. 19).

При токе КЗ сигнал с блока 2 достаточен для запуска блока 7.1 который является токовой отсечкой. Блок б создает выдержку времени в независимой части характеристики (участок cd на рис. 19). Блок 5 усиливает сигналы от блоков 4 и 6 и подает импульс на отключающую катушку автоматического выключателя YAT2 (рис. 18).

На электростанциях, подстанциях, на промышленных предприятиях и быту применяются автоматические выключатели различных конструкций. Ниже рассмотрены характеристики автоматов, которые получили наиболее широкое применение на электростанциях и подстанциях.

Автоматические выключатели серии А3700 на токи 160 — 630 А и напряжение переменного тока до 660 В, постоянного до 440 В выпускаются в пластмассовом корпусе с изолирующими перегородками между полюсами в двух исполнениях: А3700Б — токоограничивающие с электромагнитными расцепителями мгновенного действия и полупроводниковыми расцепителями; А3700С — селективные с полупроводниковыми расцепителями с регулируемой выдержкой времени. Пределы регулирования: ток срабатывания при перегрузках достигает 1,25I_ном, при КЗ — (3—10)I_ном; время срабатывания при 6I_ном составляет 4— 16 с, при КЗ — 0,1 — 0,4 с.

Автоматические выключатели серии А3700 имеют одну пару контактов на полюс с металлокерамическими накладками. Включение и отключение может производиться вручную или электромеханическим приводом в виде отдельного блока, устанавливаемого над крышкой выключателя.

Автоматическое отключение при КЗ производится расцепителем мгновенного действия, при перегрузках срабатывает полупро­водниковый блок, воздействующий на независимый расцепитель. Возникающая дуга гасится в камере со стальными пластинами. Предельный ток отключения 60—110 кА.

Автоматический выключатель А3700 изготовляется в стационарном и выдвижном исполнении и широко применяется в комплектных распределительных устройствах до 1 кВ.

Выключатели автоматические серии ВА. Применяются в электрических установках с напряжением до 660 В переменного тока 50 и 60 Гц и до 400 В постоянного тока и рассчитаны на номинальные токи от 250 до 4000 А. Серия этих выключателей предназначена для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при перегрузках, коротких замыканиях и снижении напряжения. Возможны оперативные включения и отключения цепи до 6 раз в сутки. Допускается использование выключателей ВА для прямых пусков и защиты асинхронных двигателей. В этой серии возможны исполнения максимальных расцепителей электромагнитных, полупроводниковых, с выдержкой и без выдержки времени. Автоматы могут быть стационарными и выкатного типа. Подробные сведения содержатся в каталогах и справочниках.

Автоматический выключатель серии «Электрон» (Э) изготовляется для цепей переменного тока до 660 В и постоянного тока до 440 В, на номинальные токи 1000 — 6300 А и токи отключения до 65—115 кА. Выключатели этой серии снабжены электродвигательным или электромагнитным приводом, который обеспечивает дистанционное включение. Отключение может осуществляться кнопкой ручного отключения, независимым расцепителем и максимальной токовой защитой, выполненной на полупроводниковых блоках (рис. 20). Пределы регулирования токов и времени срабатывания для выключателей этой серии показаны на рис. 19.

Выключатели Э06 на ток до 1000 А имеют одноступенчатую контактную систему, состоящую из параллельно включаемой пары контактов. Выключатели Э16, Э25, Э40 на токи от 1600 до 6300 А (рис. 21) имеют рабочие неподвижные контакты 7, 9, облицованные серебряными накладками, подвижный рабочий контакт 8 и дугогасительные контакты 5 и б с накладками из металлокерамики. Дугогасительный контакт 6 выполнен с петлеобразным динамическим компенсатором 4.

Рис. 21 Выключатели Э16.

Дугогасительное устройство состоит из изоляционного корпуса 2, в котором размещены стальные пластины 1 и пламегасительная решетка 3. Автоматические выключатели серии Э изготовляют для стационарной установки или выдвижными. Выдвижные выключатели дополнительно снабжают втычными контактами на выводах главной цепи, рычагами для механической блокировки, колесами для передвижения по рельсам каркаса. Они могут иметь рабочее положение — главная и вспомогательная цепи замкнуты; контрольное — главная цепь разомкнута, а вспомогательная — замкнута; ремонтное — главная и вспомогательная цепи разомкнуты. Специальная механическая блокировка препятствует вкатыванию и выкатыванию выключателя при включенном положении.

Автоматические выключатели серии АВМ выпускают на номинальные токи до 2000 А и напряжения 500 В переменного и 440 В постоянного тока. Выключатель имеет две пары контактов на полюс — главные и дугогасительные. Гашение дуги происходит в камере со стальными пластинами.

Рис. 22 Выключатели серии АВМ.

Выключатели АВМ имеют максимальные расцепители с обратнозависимой выдержкой времени при перегрузках. При токах КЗ максимальный расцепитель срабатывает с установленной выдержкой времени 0,25; 0,4; 0,6 с за счет специального механического замедлителя расцепителя.

Привод может быть ручным, рычажным или электродвигательным. Выключатели АВМ изготовляют для стационарной установки или выдвижными для комплектных распределительных устройств.

Кроме автоматических выключателей рассмотренных серий для защиты электрических цепей от перегрузок и КЗ применяются выключатели АЕ-1000, АЕ-20, АК-63, АП-50, АС-25 и др.

Автоматы гашения поля (АГП) относятся к особой группе (рис. 22). Они предназначены для отключения тока в обмотке возбуждения генераторов. Автомат имеет главные контакты, расположенные открыто (на рисунке не показаны), и дугогасительные контакты 5, 6 вкамере гашения дуги. Во включенном положении АГП удерживается защелкой. При отключении контакты 5 отходят вниз и возникают дуги между контактами 5 и 6, которые силой магнитного поля, созданного катушками 7, сердечниками 8 и стальными полюсами 9, выдуваются вверх. Образуется одна длинная дуга Она загоняется в кольцевую дугогасительную камеру, где разбивается между медными пластинами 3 на короткие дуги. Одновременно в цепь включаются катушки 1, создающие радиальное магнитное поле, которое замыкается со стального сердечника 4 на стальной наружный кожух 2. В результате взаимодействия с магнитным полем короткие дуги получают круговое вращательное движение (рис. 22, в) с большой скоростью и поэтому не плавят пластины. Вся энергия, выделяющаяся в дуге, распределяется по поверхности пластин и погашается ими. Температура пластин при этом не должна превышать 200 °С, исходя из чего и выбираются размеры пластин. Параллельно пластинам включены секции шунтирующих сопротивлений (на рис. 22 не показаны).

В этом случае дуга на решетке гаснет не сразу, а по секциям, скачками, приближаясь к нулю. Первой гаснет дуга в секции, шунтированной меньшим сопротивлением. Постепенный спад тока уменьшает возникающие при разрыве цепи постоянного тока перенапряжения. Собственное время отключения АГП не более 0,15 с, а полное время гашения поля зависит от параметров генераторов.

Выбор автоматических выключателей производится

по напряжению установки: U_H0M > U_{Cет_H0M};

роду тока и его величине: I_ном≥I_{норм.расч.}; ^кпгI_ном≥I_{прод.расч};

конструктивному исполнению;

коммутационной способности: I_{откл.ном}≥ I_пt≈I_п0,

где I_{откл.ном} — ток предельной коммутационной способности автомата; I_nt — ток КЗ в момент расхождения контактов (если в расчете отсутствует, то принимают I_пт≈I_п0);

включаемому току i_вкл≥ i_yд,

где i_уд — ударный ток КЗ; i_вкл — амплитудное значение номиналь­ного тока включения;

термической стойкости

где I_тер — ток термической стойкости автомата (если не задан, то принимают I_тер= I_{откл.ном}); t_тер — время термической стойкости, можно принять равным 1 с;

постоянной времени затухания апериодической составляющей тока КЗ

Т_а.ном≥Т_а

где Т_аном — значение по каталогу (0,005 — 0,015 с), определяется в расчете токов КЗ.