1.1. Автоматические выключатели
1.1.1. Назначение и устройство автоматических выключателей
Автоматический выключатель низкого напряжения – это электрический аппарат, предназначенный для автоматической защиты электрических сетей и оборудования от аварийных режимов (ограничение токов короткого замыкания и токов перегрузки, снижение и исчезновение напряжения, изменение напряжения, изменение направления тока, гашение магнитного поля мощных генераторов в аварийных условиях). Кроме того, автоматический выключатель предназначен для оперативной коммутации номинальных токов.
Выключатели делятся на быстродействующие и небыстродействующие. Особо выделяют автоматы обратного тока, которые срабатывают при изменении направления тока в защищаемой цепи.
Рассмотрим устройство автоматического выключателя (рис. 3). Автоматический выключатель состоит из трех узлов [2]:
контактно-дугогасительной системы (элементы 10 – 16);
узла привода и передаточного механизма связанного с контактной системой (элементы 5 – 9);
блока управления и защиты (элементы 1– 4).
Автоматический выключатель можно привести в действие ручным способом (рукояткой 5) или с помощью электромагнитного привода 8.
При включении первыми замыкаются дугогасительные контакты 11, затем – главные контакты 15. При отключении расходятся главные контакты, и ток переходит в дугогасительные контакты, что предотвращает образование дуги большой мощности на главных контактах. 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, которые складываются с усилием контактной пружины 14. Особое значение компенсатор имеет при токах короткого замыкания.
Деталь 9 связывает рукоятку 5 и вал 7, являясь механизмом расцепления, который разрывает связь между рукояткой и валом при автоматическом отключении аппарата от блока управления. При включении на существующее короткое замыкание этот механизм предотвращает «прыгание» (повторные включения-отключения) аппарата.
Расцепитель 1 с биметаллическим элементом тепловой защиты срабатывает от токов перегрузки, электромагнитный расцепитель 2 – от токов короткого замыкания, расцепитель 3 – от снижения напряжения в сетях (минимальный расцепитель), независимый расцепитель 4 – при дистанционном отключении.
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 рычагу 9, что 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.
Для повышения быстродействия автоматических выключателей используется индукционно-динамический привод. Схема автоматического выключателя ВАТ-42 представлена на рис. 4.
Аппарат закреплен на основании 5. В изоляционном корпусе 3, установленном на основании 4, размещается обмотка 2, через которую разряжается предварительно заряженный конденсатор.
Ток разряда наводит индуцированные токи в медном диске 1. Индуцированный ток и ток разряда (а также магнитные потоки от них) создают силы отталкивания диска 1 от неподвижной обмотки 2:
где Wэм – электромагнитная энергия системы; i1 и i2 – токи в катушке и дис- |
Рис. 4 |
,
ке соответственно; M – взаимоиндуктивность системы; x – величина перемещения диска. Через деталь 6 движение передается к контактам K, которые размыкают цепь главного тока защищаемой цепи.
В России распространены быстродействующие автоматические выключатели серии ВАБ, в которых используется эффект вихревых токов. Когда в цепи возникает короткое замыкание и ток резко увеличивается, изменяющийся магнитный поток наводит в короткозамкнутых витках большие вихревые токи [2].
Защитная характеристика аппарата представляет собой зависимость времени срабатывания от тока. Селективность (избирательность) защиты обеспечивается выбором уставок по току и по времени срабатывания на отдельных ступенях защиты по участкам распределительных электрических сетей. На рис. 5 представлены защитные характеристики автомата А3700 при двух уставках по времени на шкале расцепителя (зона 1, tуст = 16 с; зона 2, tуст = 4 с). На оси абсцисс отложено отношение реального тока I к номинальному току Iном автоматического выключателя.
Схема электромеханического расцепителя, который обеспечивает зависимую от тока защитную характеристику, приведена на рис. 6. Токоведущая шина 8 охвачена магнитопроводом 7
П-образного вида, к которому притягивается якорь 6 электромагнитной силой Рэм, создаваемой током i. При небольших токах сила Рэм не создает момента, способного растянуть пружину 4, и якорь 6 вместе со связанными с ним деталями 2, 4, 5, 9 постепенно поворачивается под воздействием силы Рэм. Пружина 3 постепенно растягивается, и анкерный (часовой) механизм 1 выбирает заданную выдержку времени.
Чем больше ток i, тем больше сила Рэм и тем меньше время срабатывания расцепителя (кривая 1 на рис. 6). Ток отсечки регулируется изменением силы натяжения пружины 3. Чем больше эта сила, тем больше ток отсечки.
|
|
Рис. 5 |
а) б) Рис. 6 |
Важным параметром токовых расцепителей является коэффициент возврата, т.е. отношение тока отпускания к току срабатывания. В простейшем случае (без учета сопротивления стали, потоков рассеивания и выпучивания) коэффициент возврата определяется из соотношения
,
где δотп и δср, Ротп и Рср – соответственно рабочие воздушные зазоры и силы возвратной пружины при отпускании и срабатывании.
В настоящее время в расцепителях широко используются полупроводниковые приборы, микросхемы и микропроцессоры.
типы автоматических выключателей и виды автоматических выключателей (автоматов).
Типы
Большое количестово технических устройств, обладающие разными наборами параметров можно объединить в несколько групп, объединенных одиним значением определенного параметра. Введение понятия типа устройства позволяет упростить понимание работы и применения сложных технических устройств, так как использование типа для описания устройства позволяет описывать не каждый отдельно взятый прибор, которых множество, а описать только основные, которых значительно меньше, типы устройств и применить свойства типов к отдельному прибору. Применение описания типов по отношению к автоматическим выключателям позволяет выделить автоматы с наиболее явными объединяющими признаками в типы, и использовать типы для работы с характеристиками автоматических выключателей.