5.Исследование автоматического выключателя

[ 1, 2 ]

Цель работы – изучить конструкцию и принцип действия автоматического выключателя.

Программа работы

1.Ознакомиться с конструкцией и техническими данными автоматического выключателя.

2. Исследовать влияние напряжения на работу выключателя.

Основные теоретические сведения.

Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для автоматического размыкания цепей переменного и постоянного тока при нарушении нормального режима работы в них (перегрузке, коротком замыкании, снижении или исчезновении напряжения и т.п.). Также автоматы предназначены для нечастых размыканий и замыканий цепей при нормальных условиях работы. В автоматических выключателях дуга, возникающая при размыкании цепи, гасится в среде окружающего воздуха, поэтому эти выключатели часто называют воздушными.

В зависимости от собственного времени срабатывания различают следующие две группы автоматических выключателей.

Первая группа автоматов - установочные и универсальные аппараты. К ним не предъявляются особо высокие требования в отношении быстродействия. Для поддержания автомата во включенном состоянии применяются защелки.

Установочные аппараты имеют пластмассовый кожух, закрывающий токоведущие части (кроме выводов). Универсальные аппараты осуществляют защиту от различных ненормальных режимов работы электроустановок и имеют разнообразные проводы и оболочки.

Обычно установочные и универсальные автоматы рассчитаны на номинальный ток 100 А, время срабатывания от 10 до 100 мс и поэтому не обладают токоограничивающим действием. При токах короткого замыкания порядка 100 кА время срабатывания автоматов может быть повышено и составляет менее 10 мс. В этом случае автоматы называют токоограничивающими.

Вторая группа автоматов - быстродействующие автоматы на номинальные постоянные токи 50 - 100000 А. Собственное время срабатывания при больших токах в пределах от нескольких десятых до 5 мс.

Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, называемые расцепителями, которые обеспечивают отключение при перегрузках, коротких замыканиях, снижении напряжения. Контактная система автоматов на большие токи – двухступенчатая, т.е. состоит из главных и дугогасительных контактов. 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 делается металлокерамической.

При номинальных токах 630 А контактная система одноступенчатая, т.е. контакты выполняют роль главных и дугогасительных контактов. При отключении сначала размыкаются главные контакты, и весь ток переходит на дугогасительные контакты.

В условиях горных предприятий применяются автоматические выключатели различных конструкций. Так, например, в основу конструкции рудничных автоматических выключателей серии

АВ положены выключатели серии А3700.

Автоматические выключатели «Электрон» изготавливаются для цепей переменного тока до 660 В и постоянного тока до 440 В на номинальный ток 1000-6300 А и токи отключения 65-115 кА.

Автоматические выключатели серии АВМ выпускаются на напряжение 500 В переменного тока и 440 В постоянного тока и номинальные токи до 2000 А. При коротком замыкании время срабатывания 0,25; 0,4; 0,6с с выдержкой времени .

Выбор автоматов производится по напряжению установки :

U _уст  U_ном ; по роду тока I_норм  I_ном и его значению: I_max  I_ном ; по конструктивному исполнению; по предельно отключаемому току.

Автоматические выключатели имеют реле прямого действия, называемые расцепителями, которые обеспечивают отключение при перегрузках, КЗ, снижении напряжения. Основные элементы автоматического выключателя и их взаимодействие рассмотрим по принципиальной схеме (рис. 14).

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 должки быть устойчивы к возникающей дуге, поверхность этих контактов металлокерамическая.

На рис.11 выключатель показан в отключенном положении. Чтобы его включить, вращают рукоятку 2 или подают напряжение па электромагнитный привод (YАT1). Возникающее усилие перемещает рычаги 3 вправо, при этом поворачивается несущая деталь 13, замыкаются сначала дугогасительные контактами 7 и создается цепь тока через эти контакты и гибкую связь 2, и 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 17 с рабатывает при протекании по его обмотке YАТ1 тока КЗ. Создается усилие, преодолевающее натяжение пружины 16, рычаги 3 переходят вверх за мертвую точку, в результате чего автоматический выключатель отключается под действием отключающей пружины 4. Этот же расцепитель выполняет функции независимого расцепителя. Если на нижнюю обмотку YAT2 подать напряженно кнопкой SB, то он срабатывает и осуществляет дистанционное отключение.

При снижении или исчезновении напряжения срабатывает минимальный расцепитель 18 и 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. В конструктивном отношении дугогасительные камеры бывают герметизированными, закрытыми, полузакрытыми и открытыми.

А втоматы в большинстве случаев имеют полузакрытые камеры, в которых дан выход газам, но приняты меры для ограничения выброса пламени дуги и для охлаждения газов, так что зона ионизированного пространства над камерой очень мала или совсем отсутствует.

Полузакрытые камеры по принципу гашения дуги можно разделить на две следующие основные группы:

1) камеры с узкими щелями, у которых развитая поверхность для охлаждения ствола дуги создается преимущественно изоляционными деталями;

2) камеры с деионной решеткой, у которых разбитая поверхность охлаждения создастся преимущественно металлическими деталями.

В последнем типе камер металлические детали (пластины) разбивают дугу на несколько последовательно включенных дуг, что существенно облегчает условия ее гашения. Камеры с деионной решеткой — наиболее распространенные (рис. 12).

Внутри асбоцементной дугогасительной камеры закреплено большое число стальных, омедненных, изолированных друг от друга пластин. Дугогасительная камера закрепляется над контактами. При размыкании контактов 2 и 3 возникает дуга, которая под действием силы F, создающейся в результате взаимодействия проводника с током (электрической дуги) с магнитным потоком Ф, смещенным в сторону стальных пластин, затягивается внутрь дугогасительной (деионной) решетки, рассекается на отдельные короткие горящие дуги, которые интенсивна охлаждаются и при первых переходах тока через нулевое значение гаснут.

При протекании тока КЗ через включенный автоматический выключатель между контактами возникают значительные электродинамические силы, превышающие силы контактных пружин 6 и 10 (см. рис.11), которые могут оторвать один контакт от другого, а образовавшаяся дуга может их сварить. Чтобы избежать самопроизвольного отключения, применяют электродинамические компенсаторы в виде шинок Я-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.13. 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 выдержка времени в независимой от тока части характеристики достигается за счет часового анкерного механизма, в зависимой— oт 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 применяются полупроводниковые расцепители, которые обеспечивают более высокую точность срабатывания по току и времени.

В условиях горных предприятий применяются автоматические выключатели различных конструкций. Широкое применение получили автоматические выключатели серии А3700, положенные, в

частности, в основу конструкции рудничных автоматических выключателей серии АВ.

Принципиальная схема универсального автоматического выключателя приведена на рис.14. 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).

Для ручного включения автоматического выключателя поворачивают ручку 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 автоматическом выключателе могут быть электромагнитный привод 8 и электродвигательный привод, в котором после отключения автоматически включается электродвигатель небольшой мощности, взводящий отключающую пружину (на рисунке не изображены).

П ри 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.

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, котрый 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 контактах и отталкивающую их друг от друга.

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 механизм свободного расцепления предотвращает прыгание (повторные включения- отключения) аппарата.

В аппаратах без механизма 9 существует жесткая связь между рукояткой 5 и рычагом 7, и при нажатой кнопке расцепителя после включения аппарат сразу же отключается от защиты. Но если сигнал на включение не был снят при включении аппарата (кнопка расцепителя не нажата), то аппарат включится еще раз и быстро отключится и так далее. Это 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 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.

Для выполнения защитных функций выключатели снабжаются специальными устройствами, воздействующими в аварийных режимах на механизм свободного расцепления. В связи с этим они получили название - расцепители. В зависимости от параметра аварийного режима, на который реагируют расцепители, они подразделяются на следующие основные типы:

• расцепители максимального тока, срабатывающие при увеличении тока в главной цепи аппарата выше определенного уровня – уставки;

• расцепители дифференциального тока, срабатывающие при сверх допустимой разности токов в полюсах аппарата;

• расцепители минимального напряжения, срабатывающие при снижении контролируемого напряжения ниже заданного уровня или при исчезновении напряжения - нулевые расцепители.

Наиболее опасным видом повреждений являются КЗ. В электроустновках также часто возникают токовые перегрузки. Поэтому выключатели в первую очередь содержат расцепители максимального тока.

Выключатели, рассчитанные на массовое применение, содержат наиболее простые, дешевые и надежные электромагнитные и термобиметаллические (тепловые) расцепители.

Электромагнитные расцепители по существу являются токовыми реле, которые срабатывают без выдержки времени и предназначены для защиты в зоне токов КЗ.

В термобиметаллических расцепителях используется сила упругих деформаций, возникающих при нагревании термобиметаллического элемента (пластины из специального сплава с различнымкоэффициентом линейного расширения). Они выпускаются с прямым или косвенным подогревом.

Термобиметаллические расцепители срабатывают с выдержкой времени обратно пропорциональной квадрату тока и применяются для защиты в зоне токов перегрузок.

В некоторых аппаратах применяются термомагнитные расцепители, в которых используется свойство ферромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость при нагреве током.

В распределительных электрических сетях при коротких замыканиях необходимо отключать только поврежденный участок с сохранением электроснабжения других потребителей. Селективность (избирательность) действия защиты обеспечивается в ряде случаев рациональным выбором уставок по току срабатывания электромагнитных расцепителей, а в основном используется иерархический ступенчато-временной принцип срабатывания аппаратов.

В первых конструкциях так называемых «селективных» выключателей для этой цели использовались различные замедлители срабатывания электромагнитных расцепителей: пневматические, гидравлические, с анкерным механизмом.

В связи с усложнением требований к качеству защиты низковольтных электроустановок (чувствительности, селективности, быстродействию и надежности) появились полупроводниковые расцепители. Сейчас они широко применяются в выключателях с номинальными токами свыше 160 А.

В нашей стране первыми аппаратами с новым типом расцепителя были выключатели серии "Электрон" и выключатели серии А3700. В настоящее время им на смену пришли выключатели типа ВА-75 и ВА53-55, в которых расцепители выполнены на микроэлектронной элементной базе. В последние годы в расцепителях стали применять микропроцессоры.

Важно отметить, что с помощью полупроводниковых расцепителей удалось существенно повысить чувствительность защиты к коротким замыканиям с малыми токами замыкания, соизмеримыми с токами рабочих и пусковых режимов, в частности, к однофазным замыканиям в четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью, к коротким замыканиям с токами, ограниченными дугой, к витковым замыканиям в электродвигателях и трансформаторах и т.д. Для этой же цели используются фильтры нулевой последовательности, а также характерные параметры электрической дуги, выявленные при помощи различных электронных средств.

Применение микропроцессоров в расцепителях позволяет также наделить выключатели новыми функциями и свойствами. С их помощью защитные характеристики становятся исключительно гибкими. Они позволяют дополнительно к защитным функциям измерять фазные токи и напряжения электрические мощность и энергию и отображать текущие значения и действующие уставки на лицевой панели аппарата. При помощи установки специальных датчиков можно также контролировать технический ресурс и тепловое состояние аппарата. В сочетании с самодиагностикой микропроцессорного расцепителя указанные новые функции и свойства существенно улучшают потребительские качества выключателей.

Расцепители дифференциального тока реагируют на токи утечки и в зависимости от чувствительности расцепителей используются или для повышения пожаробезопасности оборудования (при токах срабатывания 100-300 мА) или (при токах срабатывания 10-30 мА) для создания устройств защитного отключения - устройств защиты от поражения человека электрическим током - на базе малоамперных (до 63 А) выключателей. Они также выполняются либо на электромеханическом принципе или с применением электроники.

Быстродействующие автоматы. По назначению быстродействующие автоматы подразделяются на:

• автоматы обратного тока, применяемые для селективного отключения со стороны постоянного тока (при изменении направления тока) одного из параллельно работающих поврежденных источников постоянного тока;

• автоматы максимального тока (линейные), применяемые для размыкания цепей различных установок постоянного тока для защиты их от перегрузок и коротких замыканий (при прямом направлении тока).

По назначению быстродействующие автоматы подразделяются на:

• автоматы обратного тока, применяемые для селективного отключения со стороны постоянного тока (при изменении направления тока);

• автоматы максимального тока (линейные), применяемые для размыкания цепей различных установок постоянного тока, для защиты их от перегрузок и коротких замыканий (при прямом направлении тока).

Автоматы исполняются поляризованными и неполяризованными. Неполяризованными называются выключатели, автоматическое срабатывание которых не зависит от направления тока, юно может зависеть от величины тока и от характера изменения тока до срабатывания (например, от абсолютного значения скорости изменения тока). Остальные автоматы называются поляризованными. Они срабатывают только при одном направлении тока или при разных значениях тока обоих направлений. Поляризованными также называются автоматы, различно реагирующие на скорость изменения тока обоих направлений.

План работы

Для исследования автоматического выключателя А63-М необходимо собрать схему рис. 15.

О собенность этого автомата состоит в том, что он не имеет теплового расцепителя, а только расцепитель максимального тока ( срабатывающий при токе 5 А).

Включить ЛАТР и, плавно увеличивая ток нагрузки через автомат, добиться срабатывания максимальной защиты. Затем вернуть регулятор ЛАТРа в положение MIN и установить рычаг выключателя в положение "0". Далее вновь включить автомат и повторить опыт несколько раз. Показания приборов занести в табл.7.

Таблица 7

Значение тока уставки	Ток нагрузки, при котором автомат срабатывает