книги / Электрические аппараты

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ (АВТОМАТЫ]

17.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Автоматические воздушные выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения электрической це­ пи при перегрузках, КЗ, чрезмерном понижении напряже­ ния питания, изменении направления мощности и т. п., а также для редких включений и отключений вручную номи­ нальных токов нагрузки.

К автоматам предъявляются следующие требования. 1. Токоведущая цепь автомата должна пропускать номи­ нальный ток в течение сколь угодно длительного времени. Режим продолжительного включения для автомата являет­ ся нормальным. Токоведущая система автомата может под­ вергаться воздействию больших токов КЗ как при замкну­ тых контактах, так и при включении на существующее КЗ.

2.Автол;ат должен обеспечивать многократное отклю­ чение 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 дру­ гих последствий, вызываемых токами КЗ, автоматы должны иметь малое время отключения. С целью уменьшения габа­ ритных размеров распределительного устройства и повы­ шения безопасности обслуживания необходима минималь­ ная зона выхлопа нагретых и ионизированных газов в про­ цессе гашения дуги.

4.Элементы защиты автомата должны обеспечивать не­ обходимые юки и времена срабатывания и селективность

(§ 16.5).

В зависимости от вида воздействующей величины авто­ маты делятся на максимальные автоматы по току, мини­ мальные автоматы по току, минимальные автоматы по на­ пряжению, автоматы обратного тока, максимальные авто­ маты, 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 автоматы должны иметь регулировку тока и времени срабатывания.

В некоторых случаях требуется комбинированная защи­ та — максимальная по току и минимальная по напряжению. Автоматы, удовлетворяющие этим требованиям, называют­ ся универсальными.

Автоматы общепромышленного и бытового применения обычно имеют лишь максимально-токовую защиту, отрегу­ лированную на заводе. В эксплуатации характеристики ав­ томата не могут быть изменены. Для уменьшения возмож­ ности соприкосновения персонала с деталями, находящими­ ся под напряжением, эти автоматы закрыты пластмассовым кожухом и практически не выбрасывают дугу. Такие авто­ маты называются установочными.

В любом автомате есть следующие основные узлы: то­ коведущая цепь, дугогасительная система, привод автома­ та, механизм автомата, механизм свободного расцепления

иэлементы защиты — расцепители.

Вавтомате на ток более 200 А (рис. 17.1) токоведущая

цепь имеет главные 3 и дугогасительные 1 контакты. Вклю­ чение автомата может производиться вручную рукояткой 12 или электромагнитом 4. Звенья 6 ,7 и упор 13 образуют ме­ ханизм свободного расцепления (§ 17.3). Отключение ав­ томата может производиться рукояткой 12 или с помощью тепловых и электромагнитных расцепителей 5, 8, 10, 11. Необходимая скорость расхождения контактов обеспечива­ ется пружиной 9. Гашение дуги происходит в камере 2.

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

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

На рис. 17.2, а показано изменение тока и напряжения на контактах в процессе отключения для небыстродейству­ ющего автомата, а на рис. 17.2,6 — для быстродействую­

ток растет по закону экспоненты до значения тока срабаты­ вания автомата / ср (время /0). Время t0 зависит от уставки

по току срабатывания и скорости нарастания тока, которая определяется параметрами цепи КЗ. После этого до момен­ та размыкания контактов проходит время t\. Это время тра­ тится на работу механизма расцепления, выбор провала контактов и является собственным временем отключения автомата. После расхождения контактов дуга гаснет за время U. Время, равное /0ткл==^о+^1+^2, является полным временем отключения автомата.

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

Собственное время от­ ключения автомата зависит от способа расцепления п конструкции контактов, мас­ сы подвижных частей и дру­

ния контактов цепи ток до­ стигает установившегося значения / к,уст. Такой авто­ мат не обеспечивает токоог-

раничения и его контактами отключается установившийся ток КЗ.

В быстродействующих автоматах время t\ 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 установивше­ гося тока КЗ. Благодаря этому облегчается работа самого автомата, уменьшается термическая и динамическая на­ грузка 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.

17.2. ТОКОВЕДУЩАЯ ЦЕПЬ И ДУГОГАСИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТОВ

а) Токоведущая цепь. Наиболее важной частью токо­ ведущей цепи автоматов являются контакты. При номи­ нальных токах до 200 А применяется одна пара контактов, которые для увеличения дугостойкости могут быть облицо­ ваны металлокерамикой. При токах более 200 А применя­ ются двухступенчатые контакты типа перекатывающегося контакта (рис. 3.15) или пары главных и дугогасительных контактов. Основные контакты облицовываются серебром либо металлокерамикой (серебро, никель, графит). Дугога­ сительный неподвижный контакт покрывается металлокера­

микой СВ-50 (серебро, вольфрам), подвижный — СН-29ГЗ. Применяется металлокерамика и других марок. Работа та­ ких контактов рассмотрена в § 3.4. В автоматах на большие номинальные токи применяется несколько параллельных пар глазных контактов.

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

Устойчивость контактирования при включении на корот­ кое 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 за­ висят от скорости перемещения включающего механизма.

Вуниверсальных автоматах, работающих селективно, создается определенная выдержка времени при протекании тока короткого замыкания, и размыкание контактов в те­ чение этого времени недопустимо.

Во избежание приваривания контактов применяется электродинамическая компенсация. Один из вариантов та­ кого компенсатора показан на рис. 17.1. При протекании тока в дугогасительном контуре на проводник АВ, несущий неподвижный дугогасительный контакт, действует электро­ динамическое усилие Р эц, увеличивающее нажатие кон­ тактов.

Вустановочных и быстродействующих автоматах, у ко­ торых 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 уст­ ройств. В полузакрытом исполнении автомат закрыт изоля­ ционным кожухом, имеющим отверстия для выхода горячих газов. Объем кожуха достаточно велик для исключения внутри больших избыточных давлений. Зона выброса горя­ чих и ионизированных газов составляет несколько санти­ метров от выхлопных щелей. Такое исполнение применяется

в установочных и универсальных автоматах, монтируемых рядом с другими аппаратами, в распределительных устрой­ ствах, автоматах с ручным управлением. Предельный от­ ключаемый ток не превышает 50 кА.

Вбыстродействующих автоматах и автоматах на боль­ шие предельные токи (100 кА и выше) или большие напря­ жения (выше 1000 В) применяются дугогасительные устрой­ ства открытого исполнения с большой зоной выброса.

Вустановочных и универсальных автоматах массового применения широко используется деионная дугогасительная решетка из стальных пластин (§ 4.11). Поскольку эти авто­

маты предназначены как для переменного, так и для по­ стоянного тока, число пластин выбирается из условия от­ ключения цепи постоянного тока. На каждую пару пластин должно приходиться напряжение не более 25 В. В цепях переменного тока с напряжением 660 В такие дугогаситель­ ные устройства обеспечивают гашение дуги с током до 50 кА. На постоянном токе эти устройства работают при на­ пряжении 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. Это уменьшает аэродинамическое сопротивление камеры и облегчает вхо­ ждение в нее дуги с большим током. Вначале дуга разби­ вается по щелям на ряд параллельных дуг. Но затем из всех параллельных дуг остается лишь одна. Гашение этой дуги завершает процесс отключения. Стенки камеры и пе­ регородки изготавливаются из асбоцемента или керамики.

В лабиринтно-щелевой камере (см. рис. 4.24) постепен­ ное вхождение дуги в зигзагообразную щель не создает вы­ сокого аэродинамического сопротивления при больших то­ ках. Узкая щель повышает градиент напряжения в дуге, что сокращает необходимую ее длину при гашении. Зигзагооб­ разная форма щели уменьшает габаритные размеры авто­ мата. В такой камере дуга интенсивно охлаждается стенка­ ми. Поэтому материал камеры должен обладать высокими теплопроводностью и температурой плавления.

Для того чтобы камера не разрушалась под воздействи­ ем температуры, дуга должна двигаться непрерывно с боль­ шой 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. Газообра­ зующие материалы типа фибры и органического стекла не применяются из-за повышения аэродинамического сопро­ тивления 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 уси­ лие, перемещающее дугу. Гашение дуги происходит так же, как в камере с поперечными изоляционными перегородками, но при отсутствии специальной системы магнитного дутья.

17.3. ПРИВОДЫ И МЕХАНИЗМЫ УНИВЕРСАЛЬНЫХ И УСТАНОВОЧНЫХ АВТОМАТОВ

а) Приводы. Привод должен обеспечить усилие на кон­ тактах, необходимое для включения автомата в самом тя­ желом 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 нараста­ ния давления в контактах. Недостатками электромагнитного привода являются большие скорости движения и удары в механизме, которые могут приводить к вибрации контак­ тов.

Обычно электромагнитный привод автомата питается от той же сети, что и нагрузка. Напряжение на приводе в мо­ мент включения на существующее КЗ падает до нуля, и ав­ томат может не включиться. В приводе независимого дейст­ вия энергия, необходимая для включения, накапливается в заведенной пружине. После подачи команды на включение освобождается удерживающая защелка пружины и авто­ мат 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 приме­ нение электродвигательного привода. Электродвигатель сое­ динен с автоматом через понижающую зубчатую передачу. Даже при потере напряжения кинетической энергии, накоп­

ленной в быстровращающемся роторе двигателя, бывает достаточно, чтобы закончить процесс включения. Достоин­ ствами этого привода являются плавный ход механизма и отсутствие ударов.

б) Механизм передачи усилия от привода к контактам выполняет следующие функции: передает движение от при­ вода к контактам и удержизает их во включенном положе­ нии, освобождает контакты при отключении автомата, со­ общает контактам скорость, необходимую для гашения ду­ ги, фиксирует контакты в отключенном положении и подготавливает автомат для нового включения.

Рис 17 3. Механизм простейшего азто.мата

Вв иду специфичности быстродействующих автоматов здесь рассматриваются только механизмы установочных и универсальных автоматов. На рис. 17.3 показан простей­ ший механизм для автоматов с током до 1000 А.

l ей точки 0 1 и 0 2, а упор 5 не дает возможности сложить­ ся этим звеньям (рис. 17.3, а).

При включении на КЗ по обмотке электромагнита 7 на­ чинает протекать большой ток. Якорь 6 втягивается в об­ мотку и ломает рычаг, как это показано на рис. 17.3, б. Ру­ коятка 4 и контактный рычаг 1 оказываются расцепленны­ ми. Под действием отключающей пружины, не показанной на рисунке, плоской контактной пружины и массы подвиж­ ных частей контакты размыкаются и происходит отключе­ ние автомата. Рукоятка привода может вращаться против чгсовой стрелки, не оказывая воздействия на состояние

контактов. Для подготовки к новому включению необходимо повернуть рукоятку 4 до отказа но часовой стрелке. Звенья 2 и 3 сложатся и при обесточенном электромагните снова составят жесткий рычаг (рис. 17.3, в). Недостатком меха­ низма является относительно большое усилие расцепления, так как при этом необходимо деформировать контактную пружину. С ростом номинального тока растет нажатие кон­ тактных пружин, а следовательно, и усилие, необходимое для расцепления автомата.

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

Необходимо отметить, что при отключении КЗ скорость перемещения подвижных частей может возрасти из за дей­ ствия электродинамических сил. В конечном положении хода происходит удар подвижных частей о неподвижную опору и отброс контактов в направлении «включено». От­ брос контактов может привести к новому замыканию цепи, в связи с чем устанавливаются демпферы отключения. Иног­ да 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 ме­ ханизм свободного расцепления элементов защиты — рас­ цепителей. Наиболее распространены максимальные рас­ цепители. Для защиты оборудования от перегрузок необ­ ходимо, чтобы времятоковая характеристика расцепителя шла возможно ближе к характеристике защищаемого объекта.

В максимальных расцепителях широко используются электромагнитные системы и тепловые системы с биметал­ лической пластиной. Электромагнитный расцепитель (поз. 8, рис. 17.1) прост по конструкции, обладает высокой терми­ ческой и электродинамической стойкостью и стойкостью к механическим воздействиям. До момента воздействия на механизм свободного расцепления якорь расцепителя обыч­ но преодолевает значительный свободный ход (5— Ю мм). Расцепление происходит за счет удара, в котором основную роль играет кинетическая энергия якоря, накопленная при его движении. Обмотка электромагнита расцепителя вклю­ чена последовательно с нагрузкой. Регулирование тока срабатывания может производиться за счет натяжения про-

тиБОдействующей пружины расцепителя или изменения чис­ ла витков обмотки.

Для создания выдержек времени между электромагни­ том и механизмом свободного расцепления ставятся уст­ ройства задержки. Селективно работающие автоматы дол­ жны быть строго согласованы по времени срабатывания, что достигается применением часовых механизмов. Вы­ держка времени таких устройств не зависит от тока, поэто­ му они не приспособлены для защиты от перегрузок.

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

1.Слабая термическая стойкость требует высокого бы­ стродействия при отключении больших токов. В этих слу­ чаях обычно применяется комбинация из электромагнитного

итеплового расцепителей. Электромагнитный расцепитель работает при КЗ, тепловой — при перегрузках.

2.С ростом отключаемого тока растет усилие, необходи­ мое для расцепления автомата. Поэтому тепловой расцепи­ тель применяется при токах до 200 А.

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

менение.

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

5.М алая термическая стойкость тепловых расцепителей определяет малую допустимую длительность КЗ, что за ­ трудняет получение необходимой селективности.

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

Для дистанционного отключения автомата устанавлива­ ется независимый электромагнитный расцепитель (поз. 11, рис. 17.1), электромагнит которого может быть как посто­ янного, 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 напря­ жение, то ставится добавочный резистор.