16.6 Высоковольтные предохранители

Назначение и принцип работы предохранителей высокого напряжения такие же, как и предохранителей низкого напряжения. Основная трудность создания предохранителей высокого напряжения — гашение дуги. В современных конструкциях применяется главным образом гашение в узких каналах при высоком давле­нии (предохранители с мелкозернистым наполнителем) и гашение при помощи автогазового или жидкостного дутья.

Предохранители с мелкозернистым наполнителем серий ПК и ПКТ. Они выполняются на напряжения 3; 6,3; 10 и 35 кВ и номинальные токи 400, 300, 200 и 40 А соответственно. Небольшая разрывная способность 200 MB-А для силовых предохранителей и 1000 MB-А и более (не ограничено) у предохранителей (серия ПКТ) на малые токи для защиты цепей измерительных трансформаторов напряжения. Такая высокая отключающая способность достигается токоограничивающим эффектом. Полное время отключения силовыми предохранителями тока короткого замыкания достигает 0,005—0,007 с. Предохранители предназначены для внутренней и наружной установки.

Предохранитель (рис. 16.9) состоит из контактных стоек 1, укрепленных через соответствующие изоляторы 2 на стальном основании3, и патрона 4. Патрон состоит из изоляционного корпуса 8, армированного по концам латунными колпаками 13 и закрытого герметично с обеих сторон крышками 5. Внутри патрона размещаются плавкие вставки 7. Весь объем заполнен кварцевым песком 6. Перегорание предохранителя сигнализируется якорем 14, который после перегорания удерживающей его стальной указательной вставки 11выталкивается пружиной 12.

На малые токи плавкая вставка выполняется в виде намотки из тонких проволок 9 на керамическом сердечнике 10. На большие токи плавкие вставки выполняются в виде отдельных спирально свитых проволок 9 (рис. 16,6). Проволоки медные, посеребренные либо константановые. Такая форма вставок обусловлена стремлением разместить достаточно длинную вставку в патроне ограниченной длины. Согласно работе длина плавкой вставки (в миллиметрах) для этих предохранителей составляет l= 160+70 Uном, где Uном — номинальное напряжение, кВ.

Для снижения температуры предохранителя при небольших перегрузках на места скрутки плавких вставок напаяны оловянные шарики. На токи 7,5 А и ниже для ограничения перенапряжении вставки имеют переменное сечение. Разное время перегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при отключении. [6]

Рис. 16.9. Предохранители серии ПК: а – общий вид; б – патрон с плавкой вставкой на керамическом сердечнике; в – патрон со спиральными плавкими вставками.

 

Рис. 16.10. Предохранители с автогазовым (а) и жидкостным (б) гашением.

Предохранители с автогазовым, газовым и жидкостным гашением дуги (рис. 16.10.). Эти предохранители выполняются с короткой плавкой вставкой. Плавкая вставка состоит из медной 4 (токоведущей) и стальной 5 (удерживающей) частей. После расплавления (перегорания) вставки (сначала медной части, а затем стальной) дуговой промежуток удлиняется с помощью пружин или давления образующихся газов. Дуга втягивается в дугогасящую или газогенерирующую среду и под действием газового или жидкостного дутья гаснет.

В стреляющем предохранителе (тип ПСН - рис. 16.10, а) вытягивание гибкой связи 3 из патрона осуществляется пружиной ножа, связанного с контактным наконечником 1. Дуга, втянутая в газогенерирующую трубку 2, резко повышает давление в трубке (до 10-12 МПа) и создает весьма интенсивное продольное автодутье. Гибкая связь окончательно выбрасывается из патрона, дуга энергично гасится. Га­шение сопровождается выбросом раскаленных газов, световым и звуковым эффектом.

В жидкостном предохранителе (рис. 16.10,б) пружина 8, растягивая дуговой промежуток, тянет поршень б и проталкивает через отверстия 7 жидкость, заполняющую весь объем под поршнем. Создаваемое интенсивное продольное дутье надежно гасит дугу.

Автогазовое и жидкостное гашение позволяет создать конструкции предохранителей на напряжения 110—220 кВ с высокой отключающей способностью.

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ-ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Предохранитель-выключатель - аппарат (блок), выполненный как рубильник, в котором в качестве подвижных контактов (ножей) применены предохранители. Таким образом, он одновременно предназначен для неавтоматической коммутации силовых электрических цепей в устройствах распределения электрической энергии, а также для защиты этих цепей при токах перегрузки и короткого замыкания. Используется на напряжение до 380 В частотой 50 Гц с номинальными токами до 400 А и отключающей способностью в соответствии с примененным предохранителем.

Аппарат состоит из несущей конструкции, неподвижных контактов, подвижных контактов-предохранителей, ручного привода с системой рычагов. Привод обеспечивает необходимое перемещение патронов предохранителей из положения «Отключено» в положение «Включено» и обратно. В закрытом исполнении имеется блокировка, исключающая открывание дверцы (кожуха) при включенном положе­нии аппарата и включение аппарата при открытой дверце. [6]

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

(АВТОМАТЫ)

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Автоматические воздушные выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения электрической це­пи при перегрузках, КЗ, чрезмерном понижении напряже­ния питания, изменении направления мощности и т. п., а также для редких включений и отключений вручную номи­нальных токов нагрузки.

К автоматам предъявляются следующие требования.

1. Токоведущая цепь автомата должна пропускать номи­нальный ток в течение сколь угодно длительного времени. Режим продолжительного включения для автомата являет­ся нормальным. Токоведущая система автомата может под­вергаться воздействию больших токов КЗ как при замкну­тых контактах, так и при включении на существующее КЗ.

2. Автомат должен обеспечивать многократное отклю­чение предельных токов КЗ, которые могут достигать сотен килоампер. После отключения этих токов автомат должен быть пригоден для длительного пропускания номинального тока.

3. Для обеспечения электродинамической и термической стойкости энергоустановок, уменьшения разрушений и дру­гих последствий, вызываемых токами КЗ, автоматы должны иметь малое время отключения. С целью уменьшения габа­ритных размеров распределительного устройства и повы­шения безопасности обслуживания необходима минималь­ная зона выхлопа нагретых и ионизированных газов в про­цессе гашения дуги.

4. Элементы защиты автомата должны обеспечивать не­обходимые токи и времена срабатывания и селективность (§ 16.5).

В зависимости от вида воздействующей величины авто­маты делятся на максимальные автоматы по току, мини­мальные автоматы по току, минимальные автоматы по на­пряжению, автоматы обратного тока, максимальные авто­маты, работающие по производной тока, поляризованные максимальные автоматы (отключают цепь при нарастании тока в одном — прямом направлении) и неполяризованные, реагирующие на возрастание тока в любом направлении.

Для построения селективно действующей защиты автомат должны иметь регулировку тока и времени срабатывания.

В некоторых случаях требуется комбинированная защи­та — максимальная по току и минимальная по напряжению. Автоматы, удовлетворяющие этим требованиям, называют­ся универсальными.

Автоматы общепромышленного и бытового применения обычно имеют лишь максимально-токовую защиту, отрегу­лированную на заводе. В эксплуатации характеристики ав­томата не могут быть изменены. Для уменьшения возмож­ности соприкосновения персонала с деталями, находящими­ся под напряжением, эти автоматы закрыты пластмассовым кожухом и практически не выбрасывают дугу. Такие авто­маты называются установочными.

В любом автомате есть следующие основные узлы: то­коведущая цепь, дугогасительная система, привод автома­та, механизм автомата, механизм свободного расцепления и элементы защиты — расцепители.

В автомате на ток более 200 А (рис. 17.1) токоведущая цепь имеет главные 3 и дугогасительные 1 контакты. Вклю­чение автомата может производиться вручную рукояткой 12 или электромагнитом 4. Звенья б, 7 и упор 13 образуют ме­ханизм свободного расцепления (§ 17.3). Отключение ав­томата может производиться рукояткой 12 или с помощью тепловых и электрохмагнитных расцепителей 5, 8, 10, 11. Необходимая скорость расхождения контактов обеспечива­ется пружиной 9. Гашение дуги происходит в камере 2.

Основными параметрами автоматов являются: собствен­ное и полное время отключения, номинальный длительный ток, номинальное напряжение, предельный ток отключения.

Под собственным временем отключения автомата пони­мают время от момента, когда ток достигает значения тока срабатывания I_ср, до начала расхождения его контактов. После расхождения контактов возникающая электрическая дуга должна быть погашена за наименьшее время с перена­пряжением, не представляющим опасности для остального оборудования.

На рис. 17.2, а показано изменение тока и напряжения на контактах в процессе отключения для небыстродейству­ющего автомата, а на рис. 17.2, б — для быстродействую­щего. Ради простоты примем, что до КЗ ток нагрузки i_н = 0. Установившийся ток КЗ — l_к.уст. От момента начала КЗ ток растет по закону экспоненты до значения тока срабаты­вания автомата I_ср (время t₀). Время t₀ зависит от уставки

по току срабатывания и скорости нарастания тока, которая определяется параметрами цепи КЗ. После этого до момен­та размыкания контактов проходит время t₁. Это время тра­тится на работу механизма расцепления, выбор провала контактов и является собственным временем отключения автомата. После расхождения контактов дуга гаснет за время t₂. Время, равное t_откл= t_{0 +} t₁ + t₂, является полным временем отключения автомата.

Рис. 17.2. Изменение тока цепи и напряжения на контактах в про­цессе отключения

С

^ 7)

обственное время от­ключения автомата зависит от способа расцепления и конструкции контактов и массы подвижных частей и дру­гих факторов. Если t₁ ≥ 0.01 c, то автомат называ­ется обыкновенным (небы­стродействующим). В этом случае к моменту размыка­ния контактов цепи ток до­стигает установившегося значения l_к.уст.. Такой авто­мат не обеспечивает токоограничения и его контактами отключается установившийся ток КЗ.

В быстродействующих автоматах время t₁ сокращается до 0,002—0,008 с, и к моменту расхождения контактов ток не достигает установившегося значения. Такой автомат, как правило, отключает ток, значительно меньший установивше­гося тока КЗ. Благодаря этому облегчается работа самого автомата, уменьшается термическая и динамическая на­грузка аппаратуры и оборудования. С увеличением скорости возрастания тока эффект токоограничения уменьшается, так как к моменту расхождения контактов ток достигает больших значений. Для получения токоограничения в этих автоматах применяются устройства, реагирующие не на ток, а на скорость его нарастания.

2. ТОКОВЕДУЩАЯ ЦЕПЬ И ДУГОГАСИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

АВТОМАТОВ

а) Токоведущая цепь. Наиболее важной частью токо­ведущей цепи автоматов являются контакты. При номи­нальных токах до 200 А применяется одна пара контактов, которые для увеличения дугостойкости могут быть облицо­ваны металлокерамикой. При токах более 200 А применя­ются двухступенчатые контакты типа перекатывающегося контакта (рис. 3.15) или пары главных и дугогасительных контактов. Основные контакты облицовываются серебром либо металлокерамикой (серебро, никель, графит). Дугога­сительный неподвижный контакт покрывается металлокера­микой СВ-50 (серебро, вольфрам), подвижный — СН-29ГЗ. Применяется металлокерамика и других марок. Работа та­ких контактов рассмотрена в § 3.4. В автоматах на большие номинальные токи применяется несколько параллельных пар главных контактов.

В быстродействующих автоматах с целью уменьшения собственного времени применяются исключительно торце­вые контакты, имеющие малый провал. Контакты изготав­ливаются из меди, а поверхности касания подвергаются серебрению. В настоящее время проводятся работы по со­зданию искусственного жидкостного охлаждения контактов [3.2]. Такое решение позволяет сохранить малую массу и быстродействие автомата и увеличить длительный ток с 2,5 до 10 кА.

Устойчивость контактирования при включении на корот­кое замыкание зависит от скорости нарастания контактного нажатия. При амплитуде включаемого тока более 30—40 кА применяются автоматы моментного действия, у которых скорость движения контактов и контактное нажатие не за­висят от скорости перемещения включающего механизма.

В универсальных автоматах, работающих селективно, создается определенная выдержка времени при протекании тока короткого замыкания, и размыкание контактов в те­чение этого времени недопустимо.

Во избежание приваривания контактов применяется электродинамическая компенсация. Один из вариантов та­кого компенсатора показан на рис. 17.1. При протекании тока в дугогасительном контуре на проводник АВ, несущий неподвижный дугогасительный контакт, действует электро­динамическое усилие Рэд, увеличивающее нажатие кон­тактов,

В установочных и быстродействующих автоматах, у ко­торых при коротком замыкании отключение происходит без выдержки времени, электродинамическая компенсация не применяется, так как она ведет к увеличению собственного времени отключения.

б) Дугогасительная система. В автоматах применяются полузакрытое и открытое исполнения дугогасительных уст­ройств. В полузакрытом исполнении автомат закрыт изоля­ционные кожухом, имеющим отверстия для выхода горячих газов. Объем кожуха достаточно велик для исключения внутри больших избыточных давлений. Зона выброса горя­чих и ионизированных газов составляет несколько санти­метров от выхлопных щелей. Такое исполнение применяется в установочных и универсальных автоматах, монтируемых рядом с другими аппаратами, в распределительных устрой­ствах, автоматах с ручным управлением. Предельный от­ключаемый ток не превышает 50 кА.

В быстродействующих автоматах и автоматах на боль­шие предельные токи (100 кА и выше) или большие напря­жения (выше 1000 В) применяются дугогасительные устрой­ства открытого исполнения с большой зоной выброса.

В установочных и универсальных автоматах массового применения широко используется деионная дугогасительная решетка из стальных пластин (§ 4.11). Поскольку эти авто­маты предназначены как для переменного, так и для по­стоянного тока, число пластин выбирается из условия от­ключения цепи постоянного тока. На каждую пару пластин должно приходиться напряжение не более 25 В. В цепях переменного тока с напряжением 660 В такие дугогаситель­ные устройства обеспечивают гашение дуги с током до 50 кА. На постоянном токе эти устройства работают при на­пряжении до 440 В и отключаемых токах до 55 кА. При этом дуга горит с минимальным выбросом ионизированных и нагретых газов из дугогасительного устройства.

При больших токах применяются лабиринтно-щелевые камеры и камеры с прямой продольной щелью. Втягивание дуги в щель осуществляется магнитным дутьем с катушкой тока. Продольно-щелевая камера может иметь несколько параллельных щелей неизменного сечения. Эго уменьшает аэродинамическое сопротивление камеры и облегчает вхо­ждение в нее дуги с большим током. Вначале дуга разби­вается по щелям на ряд параллельных дуг. Но затем из всех параллельных дуг остается лишь одна. Гашение этой дуги завершает процесс отключения. Стенки кахмеры и пе­регородки изготавливаются из асбоцемента или керамики.

В лабиринтно-щелевой камере (см. рис. 4.24) постепен­ное вхождение дуги в зигзагообразную щель не создает вы­сокого аэродинамического сопротивления при больших то­ках. Узкая щель повышает градиент напряжения в дуге, что сокращает необходимую ее длину при гашении. Зигзагооб­разная форма щели уменьшает габаритные размеры авто­мата. В такой камере дуга интенсивно охлаждается стенка­ми. Поэтому материал камеры должен обладать высокими теплопроводностью и температурой плавления.

Для того чтобы камера не разрушалась под воздействи­ем температуры, дуга должна двигаться непрерывно с боль­шой скоростью. Это требует создания мощного магнитного поля на всем пути движения дуги в щели. При недостаточно высокой скорости движения дуги происходит разрушение дугогасительного устройства (§ 18.7). В качестве материала для камеры применяется керамика — кордиерит. Газообра­зующие материалы типа фибры и органического стекла не применяются из-за повышения аэродинамического сопро­тивления вхождению дуги в камеру.

В настоящее время с целью упрощения конструкции (отказ от мощных и сложных систем магнитного дутья) вновь возвращаются к использованию деионной стальной решетки. Стальные, изолированные керамикой пластины, имеющие паз для дугогасительных контактов, создают уси­лие, перемещающее дугу. Гашение дуги происходит так же, как в камере с поперечными изоляционными перегородками, но при отсутствии специальной системы магнитного дутья.

3. ПРИВОДЫ И МЕХАНИЗМЫ УНИВЕРСАЛЬНЫХ

И УСТАНОВОЧНЫЙ АВТОМАТОВ

а) Приводы. Привод должен обеспечить усилие на кон­тактах, необходимое для включения автомата в самом тя­желом случае — на существующее КЗ.

Приводы могут быть ручные и электромеханические. Ручные приводы применяются при номинальных токах до 200 А. При токах до 1 кА применяются электромагнитные приводы, обеспечивающие необходимую скорость нараста­ния давления в контактах. Недостатками электромагнитного привода являются большие скорости движения и удары в механизме, которые могут приводить к вибрации контак­тов.

Обычно электромагнитный привод автомата питается от той же сети, что и нагрузка. Напряжение на приводе в мо­мент включения на существующее КЗ падает до нуля, и ав­томат может не включиться. В приводе независимого дейст­вия энергия, необходимая для включения, накапливается в заведенной пружине. После подачи команды на включение освобождается удерживающая защелка пружины и авто­мат включается при любых напряжениях сети. При ручном включении привод независимого действия можно получить, если использовать принцип прыгающего контакта (рис. 9.13).

В автоматах на токи 1500 А и выше желательно приме­нение электродвигательного привода. Электродвигатель сое­динен с автоматом через понижающую зубчатую передачу. Даже при потере напряжения кинетической энергии, накоп­ленной в быстровращающемся роторе двигателя, бывает достаточно, чтобы закончить процесс включения. Достоин­ствами этого привода являются плавный ход механизма и отсутствие ударов.

б) Механизм передачи усилия от привода к контактам выполняет следующие функции: передает движение от при­вода к контактам и удерживает их во включенном положе­нии, освобождает контакты при отключении автомата, со­общает контактам скорость, необходимую для гашения ду­ги, фиксирует контакты в отключенном положении и подготавливает автомат для нового включения.

Pис 17 3. Механизм простейшего автомата

Ввиду специфичности быстродействующих автоматов здесь рассматриваются только механизмы установочных и универсальных автоматов. На рис. 17.3 показан простей­ший механизм для автоматов с током до 1000 А.

При отсутствии аварийной ситуации звенья 2 и 3 со­ставляют один жесткий рычаг, так как центр шарнира О, соединяющего эти звенья, лежит ниже прямой, соединяющей точки O₁ иО₂, а упор 5 не дает возможности сложить­ся этим звеньям (рис. 17.3, а).

При включении на КЗ по обмотке электромагнита 7 на­чинает протекать большой ток. Якорь 6 втягивается в об­мотку и ломает рычаг, как это показано на рис. 17.3, б. Ру­коятка 4 и контактный рычаг 1 оказываются расцепленны­ми. Под действием отключающей пружины, не показанной на рисунке, плоской контактной пружины и массы подвиж­ных частей контакты размыкаются и происходит отключе­ние автомата. Рукоятка привода может вращаться против часовой стрелки, не оказывая воздействия на состояние контактов. Для подготовки к новому включению необходимо повернуть рукоятку 4 до отказа по часовой стрелке. Звенья 2 и 3 сложатся и при обесточенном электромагните снова составят жесткий рычаг (рис. 17.3, в). Недостатком меха­низма является относительно большое усилие расцепления, так как при этом необходимо деформировать контактную пружину. С ростом номинального тока растет нажатие кон­тактных пружин, а следовательно, и усилие, необходимое для расцепления автомата.

При токах более 1000 А прибегают к другим типам ме­ханизмов свободного расцепления [3.3].

Необходимо отметить, что при отключении КЗ скорость перемещения подвижных частей может возрасти из-за дей­ствия электродинамических сил. В конечном положении хода происходит удар подвижных частей о неподвижную опору и отброс контактов в направлении «включено». От­брос контактов может привести к новому замыканию цепи, в связи с чем устанавливаются демпферы отключения. Иног­да подвижная часть в положении «отключено» сажается на специальную защелку. Расцепление защелки происходит при повороте рукоятки в направлении «готов к включению».

17. 4. РАСЦЕПИТЕЛИ АВТОМАТОВ

Отключение автоматов происходит под действием ка ме­ханизм свободного расцепления элементов защиты — расцепителей. Наиболее распространены максимальные расцепители. Для защиты оборудования от перегрузок необ­ходимо, чтобы времятоковая характеристика расцепителя шла возможно ближе к характеристике защищаемого объекта.

В максимальных расцепителях широко используются электромагнитные системы и тепловые системы с биметал­лической пластиной. Электромагнитный расцепитель (поз. 8, рис. 17.1) прост по конструкции, обладает высокой терми­ческой и электродинамической стойкостью и стойкостью к механическим воздействиям. До момента воздействия на механизм свободного расцепления якорь расцепителя обыч­но преодолевает значительный свободный ход (5 - 10 мм). Расцепление происходит за счет удара, в котором основную роль играет кинетическая энергия якоря, накопленная при его движении. Обмотка электромагнита расцепителя вклю­чена последовательно с нагрузкой. Регулирование тока срабатывания может производиться за счет натяжения противодействующей пружины разделителя или изменени чис­ла витков обмотки.

Для создания выдержек времени между электромагни­том и механизмом свободного расцепления ставятся уст­ройства задержки. Селективно работающие автоматы дол­жны быть строго согласованы по времени срабатывания, что достигается применением часовых механизмов. Вы­держка времени таких устройств не зависит от тока, поэто­му они не приспособлены для защиты от перегрузок.

Выдержки времени, зависимые от тока нагрузки, созда­ются разнообразными замедляющими устройствами, осуще­ствляющими демпфирование за счет вязкости перетекающей жидкости или газа. Наиболее просто зависящая от тока выдержка времени получается с помощью тепловых разде­лителей (поз. 5, рис. 17.1), аналогичных по конструкции тепловым реле. Их времятоковая характеристика достаточ­но хорошо согласуется с защищаемым объектом. Однако эти расцепители имеют следующие недостатки:

1. Слабая термическая стойкость требует высокого бы­стродействия при отключении больших токов. В этих слу­чаях обычно применяется комбинация из электромагнитного и теплового расцепителей. Электромагнитный расцепитель работает при КЗ, тепловой — при перегрузках.

2. С ростом отключаемого тока растет усилие, необходи­мое для расцепления автомата. Поэтому тепловой расцепи­тель применяется при токах до 200 А.

3. Выдержка времени тепловых расцепителей зависит от температуры окружающей среды, что ограничивает их при­менение.

4. Разброс в токе срабатывания у тепловых расцепителей примерно в 2 раза больше, чем у электромагнитных.

5. Малая термическая стойкость тепловых расцепителей определяет малую допустимую длительность КЗ, что за­трудняет получение необходимой селективности.

Более совершенной является защита с помощью полу­проводникового расцепителя (рис. 12.17).

Для дистанционного отключения автомата устанавлива­ется независимый электромагнитный расцепитель (поз. 11, рис. 17.1), электромагнит которого может быть как посто­янного, так и переменного тока. Обмотка электромагнита рассчитывается на кратковременный режим работы.

Номинальное напряжение расцепителя берется не выше 220 В. Если источник питания имеет более высокое напря­жение, то ставится добавочный резистор.

Минимальный расцепитель выполняется также электро­магнитного типа (поз. 10, рис. 17.1). Для разрыва цепи катушки в отключенном положении она питается через замыкающий вспомогательный контакт. Этот контакт при включении замыкается раньше глазных контактов. Благо­даря этому механизм подготавливается к работе в процессе самого включения. Напряжение отпускания электромагнита регулируется в пределах 35—70 % номинального. При на­пряжении, меньшем напряжения уставки, пружина отрыва­ет якорь и воздействует на механизм свободного расцепле­ния.

.

Минимальный расцепитель может использоваться для дистанционного отключения, если последовательно с ним включить кнопку с размыкающим контактом. Если же ми­нимальный расцепитель воздействует на механизм свобод­ного расцепления через часовой механизм с выдержкой вре­мени, то дистанционное отключение должно производиться независимым расцепителем.

4. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И УСТАНОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ

а) Автоматы серии А-3700 (рис. 17.4, а). Неподвижный контакт 7 имеет возможность небольшого перемещения и находится под дейст­вием контактной пружины (аналогично рис. 17.1). Подвижный контакт 6 укреплен на изоляционном рычаге, связанном с механизмом аппарата через тягу 16, Контакты имеют металлокерамические накладки 8. Ток коммутируемой цепи проходит также через катушку электромагнита максимального расцепителя 10 и трансформатор тока 3. Автоматы этой серии могут быть токоограничивающими и селективными. В первых при больших токгх КЗ неподвижный контакт 7 отбрасывается влево элект­родинамической силой в точке касания контактов и дуга возникает до начала движения подвижного контакта. Если первоначально ток цепи составлял 100 к А, то через 1 мс за счет сопротивления дуги он умень­шается до 20—50 кА. Повторное касание контактов не происходит, так как расцепитель 10 с помощью якоря 15 освобождает механизм и начи­нается движение контакта 6. Гашение дуги осуществляется дугогасп- тельной решеткой 9 (§ 4.11). Полное время срабатывания токоограни­чивающего автомата 10—15 мс.

В селективных автоматах используется электродинамический ком­пенсатор, аналогичный показанному на рис. 17.1. Контакты не размыка­ются до тех пор, пока не начнется движение рычага 16. Работу меха­низма автомата рассмотрим на конструктивной схеме (рис. 17.4,6). В автомате используется принцип моментного включения, когда замы­кание и размыкание контактов осуществляется заранее заводимой пружиной 12.

При этом скорость движения контактов достаточно высока И не зависит от скорости включающей рукоятки 11. Принцип действия пружины наглядно показан на рис. 9.13 Элементами защиты являются тепловой расцепнтель /, обтекаемый током, и электромагнитный 2. Оба расцепителя действуют на удерживающий рычаг 14 с зубом 13, кото­рый зацепляется за рычаг 10 механизма включения. Для подготовки автомата к включению рукоятка 11 переводится вниз. Прн этом ниж­няя часть рычага 10 сцепляется с зубом 13 Под действием пружины 12 рычаги 4 и 5 находятся в положении, указанном на рис. 17.4, в. Стрелкой показано направление силы, действующей на шарнир О4 рычагов 4 и 5.

Рис. 17.4. Автомат серии А-3700:

в —разрез общего вида автомата; б — механизм автомата; в—е — положения механизма (нумерация позиций иа рис. 17.3. б отличается от принятой на рис. 17.3. а)

Для включения рычаг переводится вверх. Правый конец пружины перемещается, и на шарнир О4 действует сила, направленная вверх. Под действием этой силы контакт 6 замыкается с контактом 7. Автомат включен. При срабатывании элементов защиты 1 и 2 от тока перегруз­ки или КЗ рычаг 14 опускается вниз и зуб 13 расцепляется с рычагом 10. Этот рычаг перемещается вверх, а пружина 12 создает силу, дейст­вующую на шарнир О4 вниз (рис. 17.4, д), при этом контакт 6 размы­кается с контактом 7. Происходит отключение автомата. Автомат может быть отключен от руки. Для этого из включенного положения автома­та рукоятка 11 перемещается вниз (рис. 17.4, е). При этом правый конец пружины 12 перемещается вниз, и она создает усилие, действующее на точку 04 вниз. Контакты 6 и 7 размыкаются. В автомате А-3700 при перегрузках полупроводниковый блок защиты 5 подает сигнал на неза­висимый электромагнитный расцепитель 4 (рис. 17.4, а). Якорь этого расцепнтеля 1 действует на механизм свободного расцепления. Полу­проводниковый блок защиты позволяет регулировать номинальный ток устройства и выдержку времени срабатывания в широких пределах. При перегрузках возврат полупроводникового блока в начальное состояние обеспечивается, если после истечения 75 %-ной выдержки времени ток упадет до I _ном. При КЗ возврат полупроводникового блока обеспечива­ется, если после 50, 170, 320 мс с начала КЗ ток упадет до 70 %-ной уставки тока КЗ.

В автоматах переменного тока полупроводниковый блок защиты питается от трансформатора тока 3. В автоматах постоянного тока вме­сто трансформатора в качестве датчика тока используется дроссельный магнитный усилитель (§6.1). Питание блока датчика тока производится от специального стабилизированного источника. В процессе эксплуата­ции работа полупроводникового блока защиты может быть проверена без вывода автомата в ревизию.

Полупроводниковый блок защиты работоспособен при колебании напряжения сети в пределах 85—110 % номинального значения.

Автомат может снабжаться электромагнитным приводом для ди­станционного управления. Выходной элемент привода воздействует на рукоятку 11 и обеспечивает включение и отключение аппарата.

Номинальные токи автоматов серии А-3700 составляют 160—630 А при переменном напряжении до 660 и постоянном до 440 В. Максималь­но допустимый ток КЗ сети, в которой может быть установлен автомат, достигает по амплитуде 200 кА. Износостойкость достигает (5÷10)*10³ в зависимости от номинального тока аппарата [3.3].

б) Автоматы серии «Электрон» разработаны для сетей с номиналь­ным током 250—4000 А. Такие автоматы (рис. 17.5) имеют главную (1, 2, 3) и дугогасительную (4, 5) контактные системы. Контактирующие поверхности облицованы металлокерамикой. Для повышения динамиче­ской стойкости используется компенсатор 8. При отключении поворачи­вается рычаг 9 Сначала перемещается мостик 1, и между главными контактами образуется зазор 6 мм, после черо размыкаются контакты 4 и 5. Образующаяся дуга затягивается в дугогасительную камеру с ме­таллическими пластинами 6. Для ограничения выброса пламени и иони­зированных газов дугогасительная камера закрыта пламегасителем 7. Он представляет собой набор медных пластин, установленных с зазором. Нагретые выхлопные газы и пламя, соприкасаясь с пластинами, охлаж­даются и зона выброса горячих газов уменьшается.

Отключаемый ток автомата достигает 65 кА при номинальном пе­ременном напряжении 660 и постоянном 440 В. Конструкция выходных и входных контактов позволяет легко вкатывать и выкатывать автомат из установки по специальным рельсам для ремонта и ревизии. Дистан­ционное включение автомата производится электромагнитным (I_ном = 600 А) или пружинным приводом (при I_{ном =} 1000÷4000 А).

Принципиальная схема полупроводникового расцепителя автомата «Электрон» приведена на рис. 12.17. ⁰

Рис. 17.5. Контактная и дугогасительная системы автомата серии «Электрон»

1. БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ АВТОМАТЫ

Быстродействие автомата может быть повышено за счет сокращения собственного времени отключения и времени гашения дуги. Последнее ограничивается уровнем перена­пряжений. Чем быстрее уменьшается ток, тем выше пере­напряжение (§ 4.2). Длительность гашения дуги в настоя­щее время доведена до (1,5-÷2) • 10^-2 с (на постоянном то­ке). Дальнейшее уменьшение длительности гашения дуги на данном этапе развития техники не представляется перспек­тивным. Поэтому в настоящее время основное внимание уде­ляется уменьшению собственного времени отключения ав­томата.

Для получения малого собственного времени отключения контакты быстродействующих автоматов выполняются тор­цевыми и с малым провалом (порядка 8—10 мм). Макси-

мальное расстояние между контактами берется небольшим и составляет 18—22 мм при номинальном напряжении до 3000 В. Образование дуги и ограничение тока за счет ее сопротивления начинаются при расстоянии между контак­тами 1 —1,5 мм. Для уменьшения оплавления контактов и ускорения разрыва металлического мостика в месте рас­положения контактов создается мощное магнитное поле.

Для уменьшения собственного времени отключения не­обходимо максимально сократить время от момента дости­жения током значения /_ср до момента расхождения контак­тов. В связи с этим в быстродействующих автоматах не применяются механизмы с ломающимся рычагом и элект­ромагнитные расцепители с большим свободным ходом якоря. Стремятся либо непосредственно связать якорь элек­тромагнита с контактом, либо максимально упростить эти связи.

По характеру отключаемых цепей быстродействующие автоматы делятся на линейные, катодные и анодные. Из существующих конструк­ций наиболее универсальны быстродействующие автоматы серии ВАБ-28 на номинальные токи от 1,5 до б кА и номинальные напряжения от 825 до 3300 В. Выключатель ВАБ-28 (рис. 17.6) содержит электромагнит

Рис. 17.7. Реле типа РДШ

постоянного тока t с удерживающей катушкой 2 и якорь 3, который может поворачиваться вокруг оси О1 до упора 4. При включенном электромагните якорь 3 удерживается в положении, показанном на ри­сунке, электромагнитной силой так, что отключающая пружина 5 и кон­тактная пружина 6 растянуты Ток защищаемой цепи проходит по шине А, катушке магнитного дутья 8, подвижному контакту 7 и шине Б. Отключение катодного автомата происходит при обратном зажигании ртутного венгиля, когда ток в цепи меняет свой знак Резкое спадание тока в цепи (ток переходит через нулевое значение) вызывает ЭДС в обмотке 12, сидящей на сердеч­нике 11, охватывающем шинопровод. Эта ЭДС прикладывается к обмотке 13, расположенной на магнитопроводе.

Магнитный поток обмотки 13 насыщает участки магнитопровода электромагнита, что приводит к резкому увеличению магнитного сопротивления на пути основного потока. Сил притяжения якоря 3 уменьшается, и он начинает дви­гаться под действием пружин 5 и 6. Большая скорость размыка­ния подвижного контакта 7 дости­гается за счет кинетической энер­гии якоря 3, полученной им при разгоне. После выбора зазора б эта энергия ударом передается контакту 7. Peгулирование тока срабатыва­ния производится резистором R2.

В процессе включения якорь механизма свободного расцепления 10 притягивается к скошенному полюсу электромагнита 1. Включение выключателя возможно, если в удерживающей обмотке 2 резко увеличить ток, что осуществляется контактором К, шунтирующим добавочный ре­зистор R1. При этом якорь 3 притянется, растянув пружину 6. Подвиж­ный контакт 7 останется неподвижным, так как его удерживает тяга 9, соединенная с притянутым якорем свободного расцепления 10. Замыка­ние контакта 7 произойдет только после включения в цепь обмотки 2 резистора R1, вследствие чего уменьшится сила притяжения якоря сво­бодного расцепления 10 (отпускается кнопка Вкл).

Отключение линейных выключателей производится за счет разрыва цепи удерживающей катушки размыкающими контактами специального реле (индуктивный дифференциальный шунт) типа РДШ. В таком ре­ле (рис. 17.7) токоведущая шина 8 разделена на две параллельные ветви. Токи этих ветвей создают противоположно направленные МДС в окружающем шину магнитопроводе 7. На нижней ветви находятся пакеты электротехнической стели 9, которые резко увеличивают ее ин­дуктивность. При установившемся токе МДС, создаваемая токами ниж­ней и верхней ветвей, равна нулю. При возникновении КЗ ток начинает нарастать по экспоненте и в нижней ветви возникает ЭДС препятствующая прохождению тока в ней. В результате большая часть тока течет по верхней ветви, появляется МДС, которая вызывает сра­батывание реле, и якорь 6 притягивается к полюсу, размыкая контак­ты 1.

Чем больше скорость нарастания тока, тем быстрее срабатывает реле. Оно срабатывает значительно раньше, чем ток достигнет статиче­ской уставки. Изменяя натяжение пружины 5 винтом 2, можно регули­ровать ток статической уставки реле, которая указывается стрелкой 4 на шкале 3.

Гашение дуги осуществляется в продольно-щелевой камере из ас­бестоцемента, имеющей три параллельные щели.

Подробное описание серии ВАБ-28 и других, выпускаемых в СССР быстродействующих автоматов приведено в [17.1].

17. 7АВТОМАТЫ ДЛЯ ГАШЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

МОЩНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

При повреждении обмотки статора мощных генераторов перемен­ного тока единственным средством ограничения повреждений машины от тока КЗ является быстрое уменьшение магнитного поля возбужде­ния. Ввиду того что индуктивность L обмотки возбуждения велика, при быстром ее отключении на ней появляется напряжение, до­статочное для пробоя изоляции обмотки. Для того чтобы быстро от­ключить обмотку и ограничить перенапряжения, применяются специ­альные автоматы гашения поля с дугогасительной решеткой. На рис. 17. 8 а показана обмотка возбуждения Rв, L генератора, питающаяся от возбудителя В. Для ограничения перенапряжений и ускорения отклю­чения используются замыкающий К1 и размыкающий К2 контакты. При отключении вначале замыкается контакт К1, а затем размыкается контакт К2. Условия гашения дуги в контакте К2 облегчены, так как большая электромагнитная энергия, накопленная в обмотке возбужде­ния, тратится в резисторе R_p. Этот же резистор ограничивает ток воз­будителя после замыкания контакта K1.

Изменение тока в цепи возбуждения определяется уравнением

i ( R_в + R_p) + L (di/ dt) = 0

Анализ и показывает, что для быстрого спада тока необходимо увеличивать R_p (уменьшать постоянную времени). Однако при этом напряжение на обмотке возрастает и может достигнуть недо­пустимых для изоляции обмотки значений.

Рис 17.8. Принцип действия автомата гашения магнитного поля генератора:

д — схема для расчета перенапряжений при отключении обмотки возбуждения генератора, б — включение автомата гашснил поля

Отсюда R_B + Rp = const/i. Учитывая, что обычно R_B<Rp, можно на­писать

Rp — const/i

Чтобы магнитное поле возбуждения спадало с максимальной ско­ростью и напряжение на обмотке не превышало допустимое значение Umax, сопротивление R_p должно быть нелинейным и увеличиваться по мере спада тока. Из (17.5) следует u_p= const, т е. напряжение на сопротивлении R_р должно быть неизменным, несмотря на уменьшение тока. Такой характеристикой обладает дуга, горящая между медными пластинами дугогасительной решетки (§ 4 11). Дело в том, что в корот­кой дуге напряжение на ней в основном определяется катодным падени­ем напряжения, которое не зависит от тока.

Рис. 17 9. Конструктивная схема автомата гашения магнитного поля Проинтегрировав (17.4) и приняв, что при t= 0 i=U₀/Rв, получим

i= U₀/ R_в – t U_max/ L

В автомате гашения поля роль резистора /?_р играет электрическая дуга в дугогасительной решетке рис. 17.8,6. Резистор R служит для ограни* чения тока возбудителя после замыкания контакта К1. Работа аппара­та протекает в следующем порядке: вначале замыкается контакт К1, после чего отключается контакт К2. Затем размыкается контакт К1 и образующаяся дуга с помощью магнитного поля затягивается в дугогасительную решетку и разбивается на ряд коротких дуг. Для уменьше­ния перенапряжений, возникающих при обрыве тока, параллельно сек­циям дугогасительной решетки включаются шунтирующие резисто­ры R_ш.

Конструкция автомата в упрощенном виде представлена на рис 17.9. После отключения электромагнита ЭМ контакты 5, 6 размыкаются и с помощью катушки 7 и магнитной системы 8, 9 дуга перемещается вверх, пока не достигнет пластин 3 дугогасящего устройства Концы катушек 1 присоединены к рогам 10 и пластинам 11. Магнитный поток катушек 1 замыкается через сердечник 4 и стальной кожух 2. Ток, про­текая по катушкам 1, создает радиальное магнитное поле Ф_р, которое, взаимодействуя с током дуги, заставляет дугу вращаться по окружности со скоростью и_д Большая скорость вращения предотвращает прогора­ние пластин 3. Схема включения катушек 1 показана на рис. 17 9, а, а перемещение дуги — на рис 17.9,6. В соответствии с рис. 17.8 отдель­ные группы пластин шунтированы активным резистором для выравни­вания распределения напряжения между пластинами Поскольк) номи­нальный ток автоматов может достигать 6300 А, аппарат имеет систему главных и дугогасительных контактов. Номинальное напряжение глав­ной цепи 500 В.

8. ВЫБОР АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Номинальные значения напряжения U_ном и тока I_ном. Для автомата защиты двигателя, работающе­го в повторно-кратковременном режиме, номинальный ток электромагнитного расцепителя принимается равным току двигателя в режиме ПВ = 25%. Для автоматов защиты двигателей с короткозамкнутым ротором ток уставки элек­тромагнитного расцепителя

I уст. эм ≥ (1,5 ÷1 ,8) I_к.

Для двигателя с фазным ротором I уст. эм ≥ (2,5 ÷ 3) I_{ном. дв.}

Для группы двигателей с фазным ротором

I уст. эм ≥ (1,5 ÷ 2) 1'_{ном дв} +∑ I_{ном. дв.}

где 1'_{ном дв} —ток двигателя с наибольшим пусковым током.

Для двигателей, работающих в тяжелом или повторно­кратковременном режиме, номинальный ток теплового или комбинированного расцепителя

I_{ном. расц} ≥ 1,5 I_{ном. дв.}

Выбор по току КЗ:

для автоматов с электромагнитным расцепителем

I_к/ I уст. эм ≥ 12,5 ÷ 1,4

для автоматов с комбинированным расцепителем

I_к/ I_{ном. расц} ≥ 3

Предельный ток отключения автомата I_{отк.авт} должен быть не менее тока I_к.