Автоматические выключатели

Автоматическим выключателем (автоматом) называется аппарат, предназначенный для нечастых замыканий и размыканий электрических цепей и длительного прохождения по нему тока, а также автоматического размыкания цепей при появлении в них аварийных режимов. Автоматы служат для коммутации постоянного и переменного тока и для обеспечения защитного отключения при перегрузках, коротких замыканиях, несимметрии в цепях питания, снижении напряжения ниже допустимого уровня. По виду защит различают автоматы максимального тока, минимального напряжения, обратной мощности.

В схемах электропривода наиболее распространены автоматы максимального тока и минимального напряжения. Первые служат для защиты

от перегрузок и коротких замыканий, вторые – от недопустимого снижения напряжения.

Автоматы состоят из следующих узлов: исполнительный орган (силовые контакты), дугогасительное устройство, чувствительный орган (элемент защиты), привод выключателя, кинематическое устройство.

Контактное устройство состоит из силовых контактов, включаемых в защищаемые цепи, и блокировочных контактов, служащих для связи с другими аппаратами. К контактам предъявляются стандартные требования: высокая коммутационная способность, дугостойкость.

Дугогасительное устройство обеспечивает большую мощность отключения и ускоряет гашение дуги в наименьшем объеме с наилучшим эффектом. Используются в основном узкощелевые камеры и деионные решетки.

Элемент защиты воспринимает изменение параметров контролируемой цепи и при ненормальном режиме обеспечивает отключение автомата, воздействуя на подвижную часть аппарата непосредственно или через механизмы свободного расцепления. Находят применение электромагнитные чувствительные элементы с последовательным или параллельным соединением катушек, а также биметаллические элементы. Электромагнитные элементы

а б в

Рис. 6.10. Схемы расцепителей автоматических выключателей:

а – максимального тока; б – минимального

напряжения; в – тепловой

используются в автоматах максимального тока или минимального напряжения. Первые служат для защиты от перегрузок по току и коротких замыканий, вто-

рые – от недопустимого снижения напряжения. Схема автомата максимального тока показана на рис. 6.10, а. Включается автомат вручную. При этом защелка 4 западает под действием пружины 2 и удерживает рычаг 5. Автомат находится во включенном состоянии. При протекании тока, величина которого превышает установленный предел, электромагнит 1 токового расцепителя притягивает якорь 3 и защелка 4 освобождает рычаг 5. Пружина 6 размыкает контакты. Схема автомата минимального напряжения приведена на рис. 6.10, б. После замыкания цепи электромагнит 1 получает питание и притягивает якорь 3 защелки 4. Пока напряжение находится на установленном уровне, защелка 4 удерживает рычаг 5. При недопустимом снижении напряжения пружина 2 поднимает защелку, освобождает рычаг 5, контакты размыкаются. Расцепитель минимального напряжения может использоваться для рабочего отключения автомата при разрыве его цепи питания кнопкой.

Биметаллические элементы устанавливаются в автоматах, защищающий цепи переменного тока от длительных перегрузок по току (рис. 6.10, в). Биметаллический элемент представляет собой пластину из двух металлов, имеющих разные коэффициенты линейного теплового расширения. При протекании электрического тока определенной величина по биметаллическому элементу 1 он нагревается и изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом теплового расширения. Этот изгиб передается кинематическому устройству аппарата и при недопустимой нагрузке в цепи автомат отключается. Время срабатывания при этом должно обеспечить использование перегрузочной способности нагрузки.

Привод автоматов может быть ручным, пружинным или моторным. Пружинный привод может взводиться вручную или с применением электро-

привода. При этом взводится включающая пружина. Отключающая пружина взводится автоматически в процессе включения. Кинематическое устройство обеспечи-вает передачу переме-щения от привода и

а б в   Рис. 6.11. Кинематическое устройство с ломающимся рычагом

чувствительного элемента исполнительному органу – контактам. Основное требование к нему – обеспечение наименьшего времени отключения, для чего выключатель снабжается сильными пружинами. Основным элементом кинематики является механизм свободного расцепления, выполняющийся с защелкой и ломающимся рычагом. Действие защелки пояснено на рис. 6.10. Механизм с ломающимся рычагом действует следующим образом. В отключенном положении (рис. 6.11, а) рукоятка привода 1 связана с контактным рычагом 4 через ломающийся рычаг 2–3, который влево может прогибаться ограниченно, а вправо – неограниченно. При нажатии на рукоятку 1 ломающийся рычаг 2–3 передает движение контактному рычагу 4 (рис. 6.11, б). При этом преодолевается сопротивление возвратной пружины 5, подвижная часть встает на защелку и остается в замкнутом состоянии контактов. При срабатывании защиты (рис. 6.11, в) ломающийся рычаг изгибается вправо и под действием возвратной пружины система с большой скоростью переходит в отключенное положение. Перед включением надо сначала поставить ручку в положение «отключено», что позволяет восстановить жесткое состояние рычага 2–3, а затем включить автомат.

Существует большое разнообразие автоматов на токи до 6300 А. При этом расцепители могут иметь фиксированные уставки, регулируемые с помощью шлицов настройки или с использованием микропроцессорных устройств.

В последние годы отечественная промышленность расширила диапазон устройств:

АВ-50 – номинальный ток 630–3200 А. Снабжен микропроцессорным устройством для регулировки уставок. Имеет электромагнитный привод. Обеспечивает до 5000 срабатываний (15000 без нагрузки)

ВА-08 – номинальный ток 16–800 А. Имеет микропроцессорное устройство для регулировки уставок.

ВА-04-06 – номинальный ток 80–400 А, уставки фиксированные, электромагнитный привод.

А-3790 – ток 40–630 А, ручной привод, тепловая и электромагнитная защита. Срок службы до 16000 циклов.

ВА-50 – ток 250–1000 А, полупроводниковый расцепитель.

«Электрон» – ток 250–6300 А.

Рынок все более насыщается продукцией зарубежных фирм. Так, фирма Siemens предлагает серию выключателей Sentron с возможностью коммуникации. Номинальный ток до 1600 А. Отключающая способность до 50 кА. Использование автоматов с возможностью коммуникации открывает совершенно новые перспективы в сфере настройки, конфигурации, диагностики, обслуживания и диспетчеризации систем энергоснабжения. Увеличивается прозрачность при распределении электроэнергии за счет передачи данных текущего состояния, аварийных сигналов и данных о превышении пределов. Диспетчеризация неисправностей обеспечивает быструю реакцию при выходе из нормального режима. При этом важная

Simatic

PC

Profibus

Ethernet

Sentron WL

Блок защитных модулей

Адаптер

Ноутбук

Рис. 6.12. Схема включения выключателя Sentron в систему управления

информация может быть передана на карманный компьютер или в виде SMS на мобильный телефон. Сокращается возможность ошибок и время замены или ремонта оборудования. Выравнивается график нагрузки, что позволяет оптимизировать энергопотребление. Автомат включается в систему коммуникации и по линиям Profibus связан с управляющим устройством Simatic и с главным компьютером РС, обеспечивающим визуализацию всех данных. Выключатель содержит комплекс датчиков, обеспечивающих полный сбор информации о работе выключателя и всей системы электроснабжения. Через специальный адаптер возможен выход на дополнительный компьютер и в интернет. Система обеспечивает возможность постоянной модернизации с добавлением новых элементов.

Компания АВВ выпускает серию автоматов Emax на токи 800 –

6300 А, с односекундным током перегрузки до 100 кА. Автоматы имеют модульное исполнение: фиксированная глубина, высота и ширина передней панели. Исполнение стационарное и выкатное. Привод пружинный, с ручным взводом и возможностью установки мотор-редуктора, обеспечивающего дистанционное управление. Снабжаются замками. Обеспечивают токоограничение. Дополняются микропроцессорными блоками расцепителей, которые обладают рядом дополнительных функций: настройка уставок, связь с системой, измерение параметров, сбор статистической информации, распознавание неисправностей. В качестве аксессуаров предоставляются сигнальные блоки, измерительные блоки, диалоговые устройства, блоки беспроводной связи.

Фирма Schneider Elektric производит автоматы TeSys с номинальным током до 6300 А и отключающей способностью до 100 кА. Срок службы – до 50000 – 100000 циклов. Автоматы имеют модульное исполнение, снабжены магнитным токовым расцепителем, тепловым расцепителем, расцепителем минимального напряжения. Дополнительные аксессуары: контакты, блоки видимого разрыва, адаптеры для подключения, висячие замки, блокировки кнопки включения, индикаторы срабатывания и аварийного отключения, набор монтажных приспособлений.

Автоматические выключатели рекомендуется выбирать по следующим параметрам: назначение, область применения и исполнение, род тока и число главных контактов, тип расцепителя, номинальный ток максимально-токового расцепителя, номинальный ток срабатывания теплового расцепителя и его время срабатывания в режиме перегрузки, предельная коммутационная способность, тип присоединения и вид привода, способ установки в низковольтное комплектное устройство, климатическое исполнение, категория размещения и степень защиты, число общих циклов коммутации и число коммутаций под нагрузкой.

По исполнению автоматы могут быть токоограничивающими, нетокоограничивающими и селективными. Токоограничивающие автоматы ограничивают ток короткого замыкания путем введения в цепь большого сопротивления дуги и последующего быстрого отключения короткого замыкания. Ток короткого замыкания не успевает достичь максимального значения. Нетокоограничивающие автоматы отключают цепь, когда ток короткого замыкания достигает ожидаемого установившегося значения. Селективные автоматы позволяют в процессе эксплуатации регулировать ток и время срабатывания максимально-токовой защиты.

Как уже было указано ранее, защитные свойства автомата определяются примененными расцепителями. Электромагнитные расцепители защищают цепи от коротких замыканий, недопустимых перегрузок по току, минимальных напряжений. Тепловые расцепители защищают от длительных перегрузок. Полупроводниковые расцепители имеют широкий спектр защитных функций с регулированием.

Номинальный ток расцепителя может отличаться от номинального тока автомата, но не превышает его. Выбор автомата идет по номинальному току расцепителя. Например, автоматы для защиты асинхронных двигателей имеют отсечку, которая оценивается по ударному пусковому току двигателя, превышая его значение на 10–20%:

I₀ = (1,1 – 1,2) I_{уд. пуск} .

При этом номинальный ток отсечки автомата должен быть не меньше I₀,но не должен быть больше минимального значения тока короткого замыкания в цепи.

Номинальная уставка теплового расцепителя равна среднему значению между током несрабатывания и нормированным током срабатывания:

I_ном = (1,1 I_{ном. раб} + 1,45 I_{ном.раб}) / 2 .

Время срабатывания теплового расцепителя определяется по токовременной характеристике в зависимости от тока перегрузки, длительно протекающего в цепи.