Автоматические выключатели

Автоматические выключатели низкого напряжения (до 1500 В) предназначены для автоматической защиты электрических сетей и оборудования от аварийных режимов (ограничение токов короткого замыкания, токов перегрузки, снижение и исчезновение напряжения, изменение направления тока, гашение магнитного поля мощных генераторов в аварийных условиях и др.), а также для оперативной коммутации номинальных токов. Для обеспечения селективной (избирательной) защиты в автоматах предусматривается возможность регулирования уставок по току и по 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.

Автоматические выключатели подразделяются на: установочные и универсальные.

Установочные автоматические выключатели имеют защитный изоляционный (пластмассовый) корпус и могут устанавливаться в общедоступных местах, универсальные - не имеют такого корпуса и предназначены для установки в распределительных устройствах; быстродействующие и небыстродействующие. Быстродействие обеспечивается самим принципом действия (поляризованный электромагнитный или индукционно-динамический принцип и др.), а также условиями для быстрого гашения электрической дуги, подобно процессам в токоограничивающих автоматах;

автоматы обратного тока, срабатывающие только при изменении направления тока в защищаемой цепи (поляризованные автоматы отключают цепь только при нарастании тока в прямом направлении, неполяризоваиные - при любом направлении тока).

В автоматическом универсальном выключателе (рис.3.2) 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.3.2 Конструкция универсального Аппарат коммутирует электриче

автоматического выключателя

скую цепь с током i, в результате

цепь отключается и дуга в аппарате гасится. Для ручного включения автоматического выключателя поворачивают рукоятку S 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 автоматическом выключателе могут быть электромагнитный привод 8 и электродвигательный привод, в котором после отключения автоматически включается электродвигатель небольшой мощности, взводяший 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 шарнирносвязанных 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 отключений. При включении на существующее короткое замыкание 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 (оператор „зазевался"), то аппарат включится еще раз и быстро отключится и так далее. Это может привести к аварии аппарата. Расцепитель 1 осуществляет защиту от токов перегрузки, электромагнитный расцепитель 2 - от токов короткого замыкания, расцепитель 3 - от снижения напряжения в сетях (минимальный расцепитель), независимый расцепитель 4 - дистанционное отключение. Минимальный расцепитель 3 при номинальном напряжении развивает электромагнитную силу, кото­рая будет больше силы пружины и подвижная система расцепителя удержится в нижнем положении. Когда напряжение в сети окажется 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.

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

Широко распространенный автоматический выключатель А-3000 выпускается на напряжения 220-660 В, номинальные токи - до 630 А, предельные токи отключения - до 100 кА. Его коммутационная износостойкость - до 10000 циклов коммутации.

Автоматический выключатель серии „Электрон" выпускается на номинальные токи до 6300 А, предельные отключаемые токи - до 100 кА. Его коммутационная износостойкость - до 1000 циклов коммутаций. На рис. 3.3 показано устройство контактно-дугогаси-тельной системы этого автомата.

Рис.3.3 Контактно-дугогасительная система автоматического

выключателя «Электрон»

Контактная система состоит из главных контактов 1, 3, замыкаемых роликовым контактом 2 и параллельных им дугогасительных контактов 8, 9. Неподвижный дугогасителышй контакт 9 совмещен с компенсатором электродинамических сил 4. Дугогасительное устройство образовано камерой 6 с узкой щелью, совмещенной с дугогасительной решеткой 5 из стальных пластин. В это устройство входит пламегасительная решетка 7 для ограничения выброса пламени и ионизированных газов на выходе из камеры. Чтобы избежать перемещения вниз столба дуги, расстояние между дугогасительными контактами и ширина образующегося просвета между ними принимаются малыми. Небольшая площадь „закупоривает" выход дуговых газов вниз, создает в этой зоне повышенное давление, которое выталкивает дугу вверх, в дугогасительную камеру.

Для повышения быстродействия автоматических выключателей используется индукционно-динамический привод. Аппарат закреплен на основании. В изоляционном корпусе размещается обмотка, через которую разряжается предворительно заряженный конденсатор. Ток разряда наводит ин­дуцированные токи в медном диске. Индуцированный ток и ток разряда (а также магнитные потоки от них) создают силы отталкиания диска от неподвижной обмотки:

,

где W_M - электромагнитная энергия системы; , - токи в катушке и диске; М - взаимоиндуктивность системы; х - перемещение диска.

Движение передается к контактам которые и размыкают цепь главного тока защищаемой цепи.

Существует автоматический выключатель, в котором ток защищаемой цепи протекает через дисковую обмотку, рядом с которой располагается медный диск, связанный с подвижной системой и контактами, размыкающими цепь главного тока. Большая скорость изменения тока при возникновении короткого замыкания (и магнитного потока от него) наводят в диске ток (поток), взаимодействие которых создает силу отталкивания диска от обмотки и размыкание контактов защищаемой цепи с током. В отечественной промышленности распространены быстродействующие автоматические выключатели серии ВАБ.

На рис. 3.4 поясняется принцип действия автоматического выключателя ВАБ-20М. 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 d. Протекающий по шине 5 ток создает магнитный поток, который может замыкаться как через зазоры , так и через зазоры 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 , так как они значительно меньше воздушных зазоров . 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.

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 этихчастях маггштопровода резко возрастает и основная доля магнитного потока от тока в шине 5 замыкается уже через воздушные зазоры . Результирующая электромагнитная сила перемещает якорь 8 и шину 5 вправо. Связанные с нею контакты размыкают цепь главного тока. Одновременно поворачивается по часовой стрелке рычаг 7. Установленный на нем валик 9 западает за выступ детали 1. Подвижная система автоматического выключателя останется в крайнем правом положении, соответствующем отключенному состоянию автоматического выключателя.

Для включения автоматического выключателя необходимо подать напряжение на включающую катушку W в. Тогда к полюсам притя­нется якорь 3, а связанный с ним выступ 2 переместится вверх, поднимет конец рычага 1 и валик 9 выйдет из зацепления с выступом рычага Л Под действием силы пружины Р, рычаг 7 и подвижная система автоматического выключателя перейдут в крайнее левое положение. Автоматический выключатель включится. Дистанционное отключение автоматического выключателя осуществляется подачей напряжения на отключающую катушку Wo.

Существует оригинальная разновидность автоматических выключателей - автоматические выключатели гашения магнитного поля возбуждения мощных генераторов. При внутренних коротких замыканиях в таких генераторах единственным средством их спасения от „пожара в железе" и от сгорания от мощной электрической дуги является быстрое снятие магнитного поля возбуждения. Токи обмотки возбуждения увеличиваются до десятков килоампер, запасенная в ней электромагнитная энергия достигает очень больших значений и ее гашение необходимо произвести очень быстро. Наиболее целесообразным средством для этого оказалось преобразование электромагнитной энергии в тепловую энергию электрической дуги, включаемой последовательно в цепь тока обмотки возбуждения. Такая дуга образуется и гаснет на контактах автоматических выключателей гашения магнитного поля.

На рис. 3.5 показана схема отечественного автоматического выхлючателя гашения магнитного поля серии АГП.

Рис.3.5. Автоматический выключатель гашения магнитного поля

Когда снимается напряжение с отключающего электромагнита ЭМ, контакты 5, жестко связанные с подвижным якорем электромагнита, отходят вниз. Между контактами 5 и б образуются электрические дуги, которые системой магнитного дутья (катушка 7, магнитопровод 8, стальные полюсы 9) выдуваются вверх. Возникает одна общая дуга, загоняемая магнитным дутьем на пластины дугогасительной решетки. С момента образования одной дуги ток обмотки возбуждения оказывается зам­кнутым через дугогасительную систему автоматического выключателя гашения магнитного поля. Достигнув пластин 3 дугогасительной решетки, дуга разбивается на короткие дуги, которые начинают совершать вращательное движение по пластинам. Это вращение вызвано взаимодействием тока цуги с радиальным магнитным полем (поток Ф_п), создаваемым катушками 1 магнитного дутья. Эти катушки оказываются последовательно включенными в цепь с дугой (рис. 3.6, а). Создаваемое ими магнитное поле охватывает магянто-провод 4 и стальной наружный кожух 2. Магнитное поле Ф_л катушек и поле Ф_д, создаваемое током дуги, расположены так, что с одной стороны столба дуги силовые линии этих магнитных полей имеют одинаковое направление. Здесь плотность результирующего магнитного поля будет больше, чем с другой стороны столба дуги, где силовые линии рассматриваемых полей направлены встречно. Дуга будет перемещаться в сторону меньшей плотности магнитного поля и совершать вращательные движения по пластинам (рис. 3.5, б).

Включение автоматического выключателя осуществляется элект­ромагнитом ЭМ. Для снижения перенапряжений при отключении тока промежутки между пластинами шунтируются активными сопротивлениями