Автоматические выключатели

Автоматические выключатели (автоматы) низкого напряжения (до 1500 В) предназначены для автоматической защиты электрических сетей и оборудования от аварийных режимов (ограничение токов КЗ, токов перегрузки, снижение и исчезновение напряжения, изменение направления тока и др.), а также для оперативной коммутации номинальных токов. Для обеспечения селективной(избирательной) защиты в автоматах предусматривается возможность регулирования уставок по току и времени. Быстродействующие автоматы снижают время срабатывания и ограничивают отключаемый ток сопротивлением возникающей электрической дуги в автомате. Нередко эти факторы определяют принцип устройства и особенности конструкции автоматов.

Основными параметрами автоматов являются: номинальные напряжение и ток, отключающая способность, время отключения.

Отключение автоматических выключателей происходит под действием расцепителей. Различают максимальные, минимальные и независимые расцепители. Для защиты электрооборудования от перегрузок используют максимальные расцепители. В качестве максимальных расцепителей наибольшее применение получили электромагнитные и тепловые. Время – токовая характеристика расцепителя должна быть как можно ближе к характеристике защищаемого объекта. Минимальные расцепители выполняются электромагнитного типа, для большинства автоматов напряжение отключения расцепителя регулируется в пределах 30-70% от номинального напряжения. Независимые расцепители служат для дистанционного отключения автоматов.

Принципиальная схема универсального автомата приведена на рис.14.1. В автоматическом выключателе имеются три основных узла: контактно-дугогасительная система (элементы 10-16), узел привода и передаточного механизма (элементы 5-9), блок управления и защиты (элементы 1-4).

Рис.14.1. Устройство автоматического выключателя

Аппарат коммутирует электрическую цепь с током, в результате чего цепь отключается и дуга в аппарате гасится. Для ручного включения автомата поворачивают рукоятку 5 в указанном направлении до момента, когда привод не встанет на защелку (на рисунке не изображена). Главные контакты 15 и дугогасительные контакты 11 будут замкнуты, а отключающая пружина 6 взведена. Кроме ручного в автомате могут быть электромагнитный привод 8 и электродвигательный привод, в котором после отключения автоматически включается электродвигатель небольшой мощности, взводящий включающую пружину (на рисунке не изображены).

При включении первыми замыкаются дугогасительные контакты 11, после них – главные контакты 15. При отключении в начале расходятся главные контакты и ток переходит в дугогасительные контакты. В результате на главных контактах предотвращается образование дуги большой мощности. Дуга гасится в дугогасительном устройстве 12. Гибкая латунная связь 16 необходима для создания цепи тока, когда он переходит в дугогасительные контакты 11.

Детали 13 образуют компенсатор электродинамических сил, который создает дополнительное электродинамическое усилие взаимодействия двух шарнирно связанных деталей с противоположно направленными токами. Это усилие суммируется с усилием контактной пружины 14 и компенсирует электродинамическую силу, возникающую в самих контактах и отталкивающую их друг от друга. Эти факторы, пропорциональные квадрату тока, приобретают особое значение при токах короткого замыкания.

Деталь 9, осуществляющая связь между рукояткой 5 и валом 7 аппарата, является механизмом свободного расцепления, который разрывает связь между рукояткой и валом при автоматическом отключении аппарата от блока управления и защиты или при дистанционном отключении. При включении на существующее КЗ он предотвращает «прыгание» (повторные включения – отключения) аппарата. Если бы не было механизма 9 и существовала бы жесткая связь между рукояткой 5 и валом 7, то при нажатой кнопке аппарата после включения аппарат тут же отключился бы от защиты. Но если сигнал на включение еще не был снят, то аппарат включится еще раз и быстро отключится и т. д., что может привести к аварии аппарата.

Расцепитель 1 с биметаллическим элементом осуществляет защиту от токов перегрузки, электромагнитный расцепитель 2 – от токов КЗ, расцепитель 3 – от снижения напряжения в сетях (минимальный расцепитель), независимый расцепитель 4 – дистанционное отключение. Минимальный расцепитель 3 при номинальном напряжении развивает электромагнитную силу, которая больше силы пружины, и подвижная система расцепителя удержится в нижнем положении. Когда напряжение в сети снизится меньше допустимого, электромагнитная сила станет меньше силы пружины, подвижная деталь переместится вверх, ударит по рычагам 9 и переведет их через мертвую точку. Связь между рукояткой 5 и валом 7 нарушится под действием пружины 6 и автомат отключится.

Отключаемые автоматом токи достигают величины 70-80 кА. Для гашения электрической дуги используются щелевые камеры, дугогасительные решетки или их сочетание.

В отечественной промышленности широкое применение нашли быстродействующие автоматические выключатели серии ВАБ. Они выпускаются на токи от 1500 до 12 000 А с напряжением от 825 до 3300 В. Полное время отключения автомата лежит в пределах от 0,02 до 0,05 с. На рис.14.2 поясняется принцип действия автомата ВАБ. Основная токоведущая шина 5, включенная в цепь главного тока, охвачена магнитопроводом 4. С ней механически связаны якорь 8 электромагнита и вал 7, имеющий возможность поворачиваться вокруг оси О1. Протекающий по шине 5 ток создает магнитный поток, который может замыкаться как через зазоры δ2, так и через зазоры δ1. Левые полюсные наконечники 6 охвачены короткозамкнутыми витками 10. Если ток в шине 5 не изменяется во времени, то в короткозамкнутых витках нет вихревых токов и создаваемое ими реактивное магнитное сопротивление равно нулю. Поток, созданный током шины 5, замыкается в основном через зазоры δ2, т.к. они значительно меньше воздушных зазоров δ1. В результате возникает сила притяжения якоря к полюсам 6, которая передается шине 5 и жестко связанным с нею подвижным контактам К главной цепи. Сила притяжения контактов с увеличением тока возрастает. Это явление наблюдается при номинальных токах.

Рис. 14.2. Принцип действия автомата ВАБ

Когда же в цепи возникает короткое замыкание и ток резко увеличивается, изменяющийся магнитный поток наводит в короткозамкнутых витках большие вихревые токи. Реактивное магнитное сопротивление в этих частях магнитопровода резко возрастает и основная доля магнитного потока от тока в шине 5 замыкается уже через воздушные зазоры δ2. Результирующая электромагнитная сила перемещает якорь 8 и шину 5 вправо. Связанные с нею контакты размыкают цепь главного тока I_О. Одновременно поворачивается по часовой стрелке рычаг 7. Установленный на нем валик 9 западает в выступ детали 1. Подвижная система выключателя останется в крайнем правом положении, соответствующем отключенному состоянию автоматического выключателя.

Для включения выключателя необходимо подать напряжение на питающую катушку W_В. Тогда к полюсам притянется якорь 3, а связанный с ним выступ 2 переместится вверх, поднимет рычаг 1 и валик 9 выйдет из зацепления с выступом рычага 1. Под действием силы пружины РП рычаг 7 и подвижная система автомата перейдут в крайнее левое положение и автомат включится. Дистанционное отключение автомата осуществляется подачей напряжения на отключающую катушку W_О.

Быстродействующие выключатели ВАТ (выключатели автоматические, токоограничивающие) выпускаются на токи 1250 – 12500 А и постоянное напряжение 460, 660, 1050 В.

Механизм быстродействующего привода выключателя ВАТ-42 имеет электромагнит с удерживающей катушкой, параллельно которой включены конденсаторы, якорем и отключающей пружиной. Во включенном положении якорь притянут к электромагниту, усилие которого превосходит усилие отключающей пружины. Главные контакты в этом положении якоря замкнуты. При разрыве цепи удерживающей катушки возникает колебательный процесс в контуре LC, созданном индуктивностью катушки и емкостью конденсаторов. За счет отрицательной полуволны тока уничтожается остаточная намагниченность электромагнита, что обеспечивает быстродействие выключателя.

Датчиком аварийного тока этих выключателей является дифференциальное реле типа РДШ-3000 (реле дифференциальный шунт), которое при достижении током значения уставки разрывает своими вспомогательными контактами цепь удерживающей катушки выключателя.

Принцип действия реле поясняется на рис. 14.3. Токоведущая шина 1 реле разделена на две параллельные ветви, на одну из которых насажены пластины 5 из электротехнической стали. К шине прикреплен магнитопровод реле 2.

Рис. 14.3. Устройство реле РДШ-3000

Реле РДШ чувствительно к крутизне нарастания тока: при быстром его нарастании в момент короткого замыкания уставка реле снижается. Это вызвано тем, что проходящие через магнитопровод 2 токи двух ветвей шины 1 направлены навстречу друг другу. При медленном нарастании тока разность токов определяется соотношением активных сопротивлений двух ветвей шины 1. Небольшая разность токов создает магнитный поток, и при достижении током значения уставки якорь 4 притягивается к магнитопроводу 2, размыкая контакт 3 в цепи удерживающей катушки выключателя.

При коротком замыкании ток в защищаемой цепи возрастает очень быстро и соотношение между токами двух ветвей определяется в основном их индуктивным сопротивлением. А так как на ветвь меньшего сечения насажены стальные пластины 5, то ее индуктивное сопротивление будет велико. Разность токов резко возрастает, и реле сработает раньше, чем ток защищаемой цепи достигнет значения статической уставки.

На выключателях ВАТ-42 установлен дополнительный индукционно-динамический привод (ИДП), обеспечивающий уменьшение собственного времени выключения до 1 – 2 мс. Принцип действия привода ИДП поясняется на рис. 14.4.

Рис. 14.4. Индукционно-динамический привод

В исходном состоянии накопительный конденсатор С1 заряжается от вспомогательного зарядного трансформатора TV1 через однополупериодный выпрямитель с полярностью, показанной на рисунке.

При срабатывании реле РДШ его контакты в цепи постоянного оперативного напряжения размыкаются, и при этом на первичной обмотке импульсного трансформатора TV2 через дифференцирующий конденсатор C2 формируется импульс напряжения, который, трансформируясь во вторичную обмотку, вызывает включение тиристора VT, что, в свою очередь, приводит к разряду конденсатора C1 на катушку 6 индукционно-динамического привода. В результате действия электродинамических сил на медный диск 7 он отталкивается от катушки и через систему рычагов 3 – 5 приводит в движение подвижный контакт выключателя 2. При быстром расхождении подвижного 2 и неподвижного 1 контактов выключателя между ними возникает электрическая дуга и наступает токоограничение аварийного тока.

Bыкпючатели автoматические серии А3700 предназначены для зaщиты элeктрических установок при коротких замыканиях, перегрузках и нeдoпустимых снижениях напряжения, для нечастых (до тpex включений в час) оперативных включений и отключений электрической цепи. Они применяются в цепях постоянного тока с номинальным напряжением до 440 В и в цепях переменного тока частотой 50 или 60 Гц напряжением до 660 В.

Выключатели подразделяются:

· по роду тока - для установки в цепях постоянного или переменного тока;

· по номинальному току - 160, 250, 400, 630 А;

· по числу полюсов - двухполюсные или трехполюсные (габаритные размеры двух- и трехполюсных выключателей одинаковы);

· по номинальному напряжению главной цепи - 440 В (постоянного тока), 380 или 660 В (переменного тока);

· по частоте переменного тока - 50 или 400 Гц;

· по роду защиты и виду максимальных расцепителей тока:

§ токоограничивающие с электромагнитными и полупроводниковыми pacцепитeлями максимального тока, с электромагнитными и тепловыми расцепителями, с элeктpoмагнитными расцепителями максимального тока;

§ селективные с полупроводниковыми расцепителями максимального тока;

§ нетокоограничивающие с элeктpoмагнитными и тепловыми расцепителями, с электромагнитными расцепителями максимального тока;

§ без расцепителей максимального тока;

· по способу монтажа - стационарные или выдвижные;

· по способу присоединения внешних проводников главной цепи у стационарных выключателей - с передним присоединением (с передней стороны выключателя), с задним присоединением (с задней стороны выключателя), с комбинированным присоединением (заднее - к выводам неподвижных кoнтактов, переднее - к выводам подвижных контактов);

· поналичию дополнительных сборочных единиц - независимого расцепителя, расцепителя нулевого напряжения, электромагнитного привода, вспомогательных контактов, выдвижного устройства.

В условном обозначении выключателей А3700 указывают порядковый номер разработки (37), величину выключателя (1 - для тока 160 А, 2 - для тока 250 А, 3 - для тока 400 А, 4 либо 9 - для тока 6З0 А), исполнение выключателя по числу полюсов, виду установки максимальных расцепителей тока и по максимально-токовой защите.

Для тиристорных электроприводов используются автоматические выключатели токоограничивающие с электромагнитными расцепителями (двухпoлюсныe типов А3711Б, АЗ721Б, А3731Б, А3741Б или тpexпoлюсныe типов A3712Б, A3722Б, А3732Б, A3742Б), токоограничивающие с электромагнитными и тепловыми расцепителями (двухполюсные типов А3715Б, А3725Б, А37З5Б или трехполюсные типов А3716Б, А3726Б, А3736Б), нетокоограничивающие с электромагнитными и тепловыми расцепителями (двухполюсные типа А3795Н или трехполюсные типа А3796Н).

Если далее не требуется конкретное обозначение исполнения выключателя по величине, числу полюсов, виду установки максимальных расцепителей, то указанные выключатели обозначаются А3701Б, А3702Б, А3705Б, АЗ706Б, АЗ790Н.

Для тиристорных электроприводов используются выключатели с независимыми расцепителями, расцепителями нулевого тока, электромагнитным приводом и вспомогательными контактами. Heзaвисимый расцепитель отключает выключатель при подаче на выводы его катушки напряжения постоянногo тока или однофазного переменного тока частотой 50 или 60 Гц. Номинальное напряжение постоянного тока независимого расцепителя 110 В (допустимые колебания на выводах катушки 77-132 В) или 220 В (допустимые колебания 154-264 В); номинальное напряжение переменного тока 440 В (пределы номинального рабочего напряжения 110-440 В, допустимые колебания на выводах катушки 77-528 В).

Полное время отключения выключателя при номинальном токе с момента подачи номинального напряжения на выводы катушки независимого расцепителя не более 0,04 с.

Расцепитель нулевого напряжения рассчитан на номинальные напряжения 127, 220, 230, 240, 300, 380, 400, 415 и 660 В однoфазного переменного тока или 110 и 220 В постoянного тока.

К автоматическим выключателям относятся и устройства защитного отключения (УЗО), расцепитель которых срабатывает при определенном значении тока утечки. Например, для защиты от прикосновения к токоведущим деталям ток утечки УЗО равен 30 мА.

Лекция № 15