Автоматический выключатель

Автоматический выключатель (механический) (МЭС 441-14-20), «автомат» — это механический коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальном состояниицепи, а также включать, проводить в течение заданного времени и автоматически отключать токи вуказанном аномальном состоянии цепи, таких, как токи короткого замыкания.^[1]

Роль в электрической цепи

Отличие рубильника отавтомата

Автоматические выключатели предназначены для многоразовой защиты электрических установок отперегрузок и коротких замыканий, то есть управляться токами короткого замыкания и перегрузки. Некоторыемодели обеспечивают защиту от других аномальных состояний, например, от недопустимого снижениянапряжения.

Нередко можно встретить ошибочное использование автомата защиты линии в качестве вводноговыключателя нагрузки. Для того, чтобы исключить ошибочное включение при наличии аварии в цепи,автомат имеет механическую защиту (смотри иллюстрацию), разрывающую связь между ручным приводоми контактами (чаще всего роль такой защиты выполняет отсутствие жёсткой фиксации между ручнымприводом и контактами) - из-за наличия этой защиты контакты могут не разомкнуться при переводе ручногопривода в положение "выключено" и на обслуживаемом участке остаться опасное напряжение. Так жезащита от аварий должна осуществляться на протяжении всей линии, а не в конце - по этой причинеавтомат защиты устанавливается в начале линии, где он будет защищать всю линию целиком по своемупрямому назначению.

Главным отличием от плавкого предохранителя является возможность многократного использования.

Устройство

Рис.7 Внутреннее устройство автоматическоговыключателя ВА47-29

Автоматический выключатель конструктивновыполнен в диэлектрическом корпусе.Автоматический выключатель, рассчитанный нанебольшие токи, часто имеет крепление длямонтажа на DIN-рейку. Включение-отключениепроизводится рычажком (1 на рисунке), проводаподсоединяются к винтовым клеммам (2). Защелка (9) фиксирует корпус выключателя на DIN-рейке ипозволяет при необходимости легко его снять (для этого нужно оттянуть защелку, вставив отвертку в петлюзащелки). Коммутацию цепи осуществляют подвижный (3) и неподвижный (4) контакты. Подвижный контактподпружинен, пружина обеспечивает усилие для быстрого расцепления контактов. Механизм расцепленияприводится в действие одним из двух расцепителей: тепловым или магнитным.

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину (5), нагреваемую протекающимтоком. При протекании тока выше допустимого значения биметаллическая пластина изгибается и приводитв действие механизм расцепления. Время срабатывания зависит от тока (времятоковая характеристика) иможет изменяться от секунд до часа. Минимальный ток, при котором должен срабатывать^[2] тепловойрасцепитель, составляет 1,45 от номинального тока предохранителя. Настройка тока срабатыванияпроизводится в процессе изготовления регулировочным винтом (6). В отличие от плавкого предохранителя,автоматический выключатель готов к следующему использованию после остывания пластины.

Магнитный (мгновенный) расцепитель представляет собой соленоид (7), подвижный сердечник котороготакже может приводить в действие механизм расцепления. Ток, проходящий через выключатель, течет пообмотке соленоида и вызывает втягивание сердечника при превышении заданного порога. Мгновенныйрасцепитель, в отличие от теплового, срабатывает очень быстро (доли секунды), но при значительнобольшем превышении тока: в 2÷10 раз от номинала, в зависимости от типа (автоматические выключателиделятся на типы(классы) B, C и D в зависимости от чувствительности мгновенного расцепителя).

Во время расцепления контактов может возникнуть электрическая дуга, поэтому контакты имеют особуюформу и находятся рядом с дугогасительной решёткой (8).

Классификация

ГОСТ

ГОСТ 9098-78 — устанавливает следующую классификацию автоматических выключателей

1. По роду тока главной цепи: постоянного тока; переменного тока; постоянного и переменного тока.

Номинальные токи главных цепей выключателей, предназначенных для работы при температуреокружающего воздуха 40 °C, должны соответствовать ГОСТ 6827. Номинальные токи для главных цепейвыключателя выбирают из ряда: 6,3; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1 000; 1 600; 2 500;4 000; 6 300 А. Дополнительно могут выпускаться выключатели на номинальные токи главных цепейвыключателей: 1 500; 3 000; 3 200 А.

Номинальные токи максимальных расцепителей тока выключателей, предназначенных для работы притемпературе окружающего воздуха 40 °C, должны соответствовать ГОСТ 6827. Допускаются номинальныетоки максимальных расцепителей тока: 15; 45; 120; 150; 300; 320; 600; 1 200; 1 500; 3 000; 3 200 А

2. По конструкции: воздушный автоматический выключатель (англ. Air Circuit Breaker, сокращенноАСВ) от 800 А до 6 300 А, выключатель в литом корпусе (англ. МССВ) от 10 А до 2500 А , модульныеавтоматические выключатели (англ. МСВ) от 0,5 А до 125 А.

3. По числу полюсов главной цепи: однополюсные; двухполюсные; трехполюсные; четырехполюсные.

4. По наличию токоограничения: токоограничивающие; нетокоограничивающие.

5. По видам расцепителей: с максимальным расцепителем тока; с независимым расцепителем; сминимальным или нулевым расцепителем напряжения.

6. По характеристике выдержки времени максимальных расцепителей тока: без выдержки времени; свыдержкой времени, независимой от тока; с выдержкой времени, обратно зависимой от тока; с сочетаниемуказанных характеристик.

7. По наличию свободных контактов («блок-контактов» для вторичных цепей): с контактами; безконтактов.

8. По способу присоединения внешних проводников: с задним присоединением; с переднимприсоединением; с комбинированным присоединением (верхние зажимы с задним присоединением, анижние — с передним присоединением или наоборот); с универсальным присоединением (передним изадним).

9. По виду привода: с ручным; с двигательным; с пружинным.

10. По наличию и степени защиты выключателя от воздействия окружающей среды и отсоприкосновения с находящимися под напряжением частями выключателя и его движущимисячастями, расположенными внутри оболочки в соответствии с требованиями ГОСТ 14255.

Отключение

Отключение может происходить без выдержки времени или с выдержкой. По собственному времениотключения t_с, о (промежуток от момента, когда контролируемый параметр превзошел установленное длянего значение, до момента начала расхождения контактов) различают нормальные выключатели (t_с, о =0,02-1 с), выключатели с выдержкой времени (селективные) и быстродействующие выключатели (t_с, о <0,005 с).

Нормальные и селективные автоматические выключатели токоограничивающим действием не обладают.Быстродействующие выключатели, так же как предохранители, обладают токоограничивающим действием,так как отключают цепь до того, как ток в ней достигнет значения І_у.

Селективные автоматические выключатели позволяют осуществить селективную защиту сетей путёмустановки автоматических выключателей с разными выдержками времени: наименьшей у потребителя иступенчато возрастающей к источнику питания.

Предохранители - это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания и токов перегрузки. Преимущественно предохранители используются для защиты от токов короткого замыкания, а для защиты от токов перегрузки в большинстве случаев предпочтение отдается тепловым реле и автоматическим выключателям. Основной элемент предохранителя - плавкая вставка постоянного или переменного сечения, которая при токах срабатывания сгорает (плавится с последующим возникновением и гашением электрической дуги), отключая электрическую цепь.

Любая электрическая система работает на балансе подводимой и потребляемой энергий. Когда в схему электрооборудования подается напряжение, то оно прикладывается к определенному сопротивлению цепи. В итоге на основании закона Ома вырабатывается ток, благодаря действию которого совершается работа.

При нарушениях изоляции, ошибках монтажа, аварийном режиме сопротивление электрической цепи плавно снижается или резко падает. Это ведет к соответствующему возрастанию тока, который при достижении величины, превышающей номинальное значение, причиняет вред оборудованию и человеку.

Вопросы безопасности всегда были и будут актуальны при использовании электрической энергии. Поэтому защитным устройствам постоянно придается повышенное внимание. Первые такие конструкции, названные предохранителями, широко используются до настоящего времени. 

Рис.8

Электрический предохранитель является частью рабочей цепи, врезается в рассечку питающего провода, должен надежно выдерживать рабочую нагрузку и защищать схему от появления сверхнормативных токов. Эта функция заложена в основу его классификации по номинальному току.

По применяемому принципу действия и способу разрыва схемы все предохранители подразделяют на 4 группы:

1. с плавкой вставкой;

2. электромеханической конструкции;

3. на основе электронных компонентов;

4. самовосстанавливающиеся модели с нелинейными обратимыми свойствами после действия сверхтоков.

Плавкая вставка

Предохранители этой конструкции имеют в своем составе токопроводящий элемент, который под действием тока с величиной, превышающей номинальное установленное значение, расплавляется от перегрева и испаряется. Этим обеспечивается снятие напряжения со схемы и защита ее.

Плавкие вставки могут быть изготовлены из металлов, например, меди, свинца, железа, цинка или отдельных сплавов, обладающих таким коэффициентом термического расширения, который обеспечивает защитные свойства электрооборудования.

Характеристики нагрева и охлаждения проводников для электрооборудования при установившемся рабочем режиме приведены на рисунке. 

Рис.9

Работа плавкой вставки под расчетной нагрузкой обеспечивается созданием надежного баланса температур между теплом, выделяемым на металле от прохождения по нему рабочего электрического тока, и отводом тепла в окружающую среду за счет рассеивания. 

При возникновении аварийных режимов это равновесие быстро нарушается. 

Металлическая часть плавкой вставки при нагреве увеличивает значение своего активного сопротивления. Это вызывает больший разогрев, поскольку выделяемое тепло прямо пропорционально величине I2R. При этом снова возрастает сопротивление и выделение тепла. Процесс продолжается лавинообразно до тех пор, пока не наступает расплавление, закипание и механическое разрушение плавкой вставки.

При разрыве цепи внутри плавкой вставки возникает электрическая дуга. Через нее до момента полного погасания проходит опасный для установки ток, который меняется по характеристике, показанной на рисунке ниже. 

Рис.10

Основным эксплуатационным параметром плавкой вставки является его времятоковая характеристика, определяющая зависимость кратности аварийного тока (относительно номинального значения) ко времени срабатывания.

Для ускорения работы плавкой вставки при малых кратностях аварийных токов используются специальные технические приемы:

• создание форм переменного сечения с зонами уменьшенной площади;

• применением металлургического эффекта.

Рис.11

Изменение сечения

На сужениях пластин увеличивается сопротивление и создается большее выделение тепла. В нормальном режиме работы эта энергия успевает равномерно распространиться по всей поверхности, а при перегрузках создаются критические зоны на узких местах. Их температура быстро достигает состояния, при котором металл плавится и разрывает электрическую цепь.

Для увеличения быстродействия пластины делают из тонкой фольги и применяют их в несколько слоев, включенных параллельно. Перегорание любого участка на одном из слоев ускоряет срабатывание защиты.

Принцип металлургического эффекта

Он основан на свойстве отдельных легкоплавких металлов, например, свинца или олова, растворять в своей структуре более тугоплавкие медь, серебро и отдельные сплавы.

Для этого на многожильные проволочки, из которых делают плавкую вставку, наносят капли олова. При допустимой температуре металла проводов эти добавки не создают никакого эффекта, но в аварийном режиме они быстро расплавляются, растворяют часть основного металла и обеспечивают ускорение срабатывания предохранителя.

Эффективность этого способа проявляется только на тонких проводниках и значительно снижается при увеличении их поперечного сечения.

Основной недостаток плавкой вставки состоит в том, что при срабатывании ее необходимо вручную заменять новой. Для этого требуется поддерживать их запас.

Иногда электрики вместо плавкой вставки в корпус устанавливают калиброванную проволоку. Этот способ не рекомендуется применять потому, что даже при точном подборе поперечного сечения электрическое сопротивление проволоки может отличаться от рекомендованного из-за свойств самого металла или сплава. Такой предохранитель не будет точно работать.

Еще большей ошибкой считается применение самодельных «жучков» наудачу. Они чаще всего бывают причиной несчастий и пожаров, возникающих в электропроводке.

При ремонте рубильников и переключателей тщательно очищают контактные поверхности ножей и контактных губок от грязи, копоти и частиц оплавленного металла. При сильных оплавлениях ножей или губок их заменяют новыми. Подтягивают все крепежные детали, шарнирные соединения, проверяют состояние пружин и пружинных скоб, ослабленные заменяют новыми. Добиваются, чтобы ножи входили в губки без ударов и перекосов, но с некоторым усилием. Контактная поверхность губки должна плотно прилегать к соответствующей поверхности ножа. Щуп толщиной 0,05 мм может входить в пространство между губкой и ножом на глубину не более 6 мм. Регулируют глубину вхождения ножей в губки так, чтобы у рубильника с рычажным приводом ножи при полностью включенном положении не доходили до контактной площадки губки на 3 мм. В то же время вся контактная часть ножа должна войти в губки. Глубину вхождения ножей в губки рубильников с рычажным приводом регулируют увеличением или сокращением длины тяги от рукоятки к рубильнику. Трехполюсный рубильник:

а — трехфазный в открытом исполнении; б— в закрытом кожухе; в — управляемый механическим приводом; 1 — ножи; 2 —трубки;  3 —рукоятка; 4 — кожух; 5—тяга

Неодновременность выхода ножей из контактных губок не должна превышать 3 мм. Проверяют плотность затяжки всех контактных соединений. Износ должен быть не более: для сухарей пальцев — 4—5 мм (во избежание уменьшения разрывных расстояний между сухарями и сегментом); для сегментов—1 мм (во избежание задеваний сухарей за головки винтов).

Ремонт контактных ножей. Контактные ножи подлежат замене, если их толщина менее 2 мм у рубильников до 250 А и менее 2,75 мм – у рубильников до 600 А. Ножи также заменяют, если выгорание контактной части превышает 10 % ширины ножа.  Копоть и нагар на контактных ножах удаляют обтирочным материалом, смоченным в бензине. Наплывы и брызги металла удаляют напильником с мелкой насечкой. После зачистки толщина ножа должна быть не менее значений, указанных выше.  Величину изгиба ножей определяют щупами, положив нож на измерительную плиту изгибом вверх и измерив зазор между ножом и плитой. Изогнутые ножи рубильников рихтуют молотком с медными бойками, после чего измеряют зазор между отрихтованным ножом и измерительной плитой. Нож можно устанавливать на рубильник, если величина изгиба не превышает 0,1 мм.  Ремонт неподвижных контактов. Наплывы и брызги металла на поверхности неподвижных контактов удаляют напильником с мелкой насечкой. Копоть и нагар удаляют обтирочным материалом, смоченным в бензине.  При срыве резьбы в отверстиях под винты крепления дугогасительной камеры отверстие с поврежденной резьбой рассверливают в зависимости от размера поврежденной резьбы сверлом диаметром 3,3; 4,2; 5,0; 6,7; 8,5 мм и нарезают в отверстии резьбу соответственно М4, М5, М6, М8, М10.  Отверстия с сорванной резьбой под винты крепления неподвижных контактов и стоек к панели заваривают медью с помощью газовой горелки. Место заварки зачищают напильником, накернивают и сверлят новое отверстие, в котором метчиком нарезают резьбу номинального размера.  Ремонт изоляционной панели. Следы перекрытия электрической дугой на поверхности изоляционной панели между полюсами рубильника счищают шабером или шлифовальной шкуркой до полного удаления обугленного материала. Очищенный участок обдувают сжатым воздухом и обезжиривают уайт-спиритом. Затем на зачищенный участок наносят слой бакелитового лака и сушат в сушильном шкафу в течении 3-4 часов при температуре 333-343 К (60-70 оС) в или при комнатной температуре в течении 24 часов.  При отсутствии бакелитового лака поврежденный участок изолируют клеем БФ-2. Для этого наносят слой клея и просушивают его при комнатной температуре в течении 1,5 часов, затем наносят второй слой клея и также просушивают в течении этого же времени. Панель устанавливают в сушильный шкаф и сушат при температуре 373 К (100 оС) в течении 40-60 мин.  При обгорании, короблении или разрушении из текстолита или гетинакса изготовляют новую панель в соответствии с размерами панели, вышедшей из строя. Поверхность изготовленной панели покрывают бакелитовым лаком, обращая особое внимание на изолирование торцевых частей. После нанесения лака панель сушат в сушильном шкафу при температуре 333-343 К (60-70 оС) в течении 3-4 часов или при комнатной температуре в течении 24 часов.  Проверка и испытания рубильников после ремонта.  Проверяют правильность вхождения подвижных ножей рубильников в губки неподвижных контактов. Ножи должны входить в губки одновременно и без перекосов. При наличии перекосов отпускают на 2-3 оборота винты или болты крепления неподвижных контактов и шарнирных стоек к панели рубильника, включают рубильник и затягивают винты или болты крепления неподвижных контактов и шарнирных стоек, после чего вновь проверяют правильность вхождения ножей в губки.  Поворачивая ножи вверх и вниз, но не включая рубильник, проверяют соединение ножей с шарнирными стойками. Ножи должны вращаться в стойках при приложении небольшого усилия.  Проверяют плотность контактов между подвижными ножами рубильника и губками неподвижных контактов. Щуп толщиной 0,05 мм не должен проходить более 1/3 длины контактной линии. При необходимости контактные соединения регулируют подгибанием губок контактных стоек.  Мегомметром на 500 В измеряют сопротивление изоляции рубильника между всеми соединенными между собой токоподводящими частями и деталями, подлежащими заземлению. Кроме того, измеряют сопротивление изоляции между неподвижными стойками и ножами каждой фазы в отключенном положении рубильника, а также между полюсами при включенном положении рубильника. Сопротивление изоляции должно быть не менее 50 МОм при температуре 293 К (20 оС).  Перечень износов и повреждений, устраняемых при текущем ремонте рубильников приводится в таблице 1.  Таблица 2 – Перечень износов и повреждений, устраняемых при текущем ремонте рубильников 

Оформление отчета.

1.записать название и цель работы;

2.Внимательно прочесть содержание работы и письменно ответить на следующие вопросы:

2.1.Понятие о коммутационных аппаратах (КА) и их выды; 2.2.Параметры (КА);

2.3.Рубильники: назначение, устройство, обозначение (табл. 1);

2.4.Рубильники типа «Р»: использование и параметры (табл. 1);

2.5.Из каких элементов состоит рубильник (рис.3);

2.6.Назначение, достоинства и недостатки пакетных выключателей (ПВ);

2.7.Устройство ПВ; 2.8.Структурное обозначение ПВ;

2.9.Понятие о переключателях; 2.10.Безконтактные переключатели;

2.11.Назначение автоматических выключателей (АВ);

2.12.Роль АВ в электрических сетях; 2.13.Как устроен АВ?

2.14.Тепловой, магнитный и комбинированный расцепители;

2.15.Как происходит отключение АВ? 2.16.Понятие о предохранителях;

2.17.Что происходит в электрических сетях при нарушении электрической изоляции?

2.18.Устройство предохранителя;

2.19.Охарактеризовать плавкую вставку, описать процесс разрушения плавкой вставки (Рис.9);

2.20.К чему приводит изменения сечения плавкой вставки (Рис.10)?

2.21.Описать металлический эффект в предохранителях.

2.22.Что включает ремонт рубильников?

2.23.Для чего пользуются щупом при ремонте рубильников?

2.24.Какова должна быть глубина вхождения ножей в губки?

2.25.Какой должна быть неодновременность входа ножей?

2.26.Когда контактные ножи подлежат замене?

2.27.Особенности ремонта неподвижных контактов рубильников;

2.28.Основные моменты при ремонте изоляционной панели. Измерение сопротивления.