ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ / Розанов Ю.К. Электрические и электронные аппараты / glava_4

Поскольку важнейшим узлом контактора является контактно-дугогасительное устройство, рассмотрим особенности его конструкции более подробно. Наиболее распространенные варианты исполнения дугогасительных устройств контакторов в упрощенном виде представлены на рис. 4.14.

Для гашения электрической дуги при размыкании контактов применяются различные системы, краткое описание которых дано в § 1.3. Но наиболее распространенными являются щелевые камеры с магнитным дутьем. Различают системы с последовательным и параллельным магнитным дутьем. На рис. 4.14,à,á показан эскиз дугогасительного устройства с системой последовательного магнитного дутья, на рис. 4.14,â – его электрическая схема в совокупности с коммутируемой цепью. На рис. 4.14,ã дана электрическая схема коммутируемой цепи с контактором, имеющим дугогасительное устройство с системой параллельного магнитного дутья.

В устройствах дугогашения с магнитным дутьем обмотка 1 размещается на сердечнике 2, который вместе с двумя пластинами 3 образует магнитопровод, охватывающий камеру 4 с обеих сторон и обеспечивающий подведение магнитного потока в зону горения дуги между контактами 5. При взаимодействии магнитного потока с током дуги последняя перемещается по контактам, переходит на дугогасительные рога 6, значительно удлиняется, попадает в щелевую часть камеры и гаснет. Гашение дуги происходит, таким образом, из-за интенсивного охлаждения и быстрого увеличения сопротивления столба дуги.

При последовательном магнитном дутье (рис. 4.14,â) обмотка 7 включается в цепь коммутируемого тока, а при параллельном (рис. 4.14,ã) дутье обмотка 8 включается на полное напряжение. Катушка последовательного магнитного дутья обычно имеет от двух до десяти витков и выполняется в виде наматываемой на ребро шины прямоугольного сечения (без изоляции) с воздушными промежутками между витками. Обмотка параллельного магнитного дутья наматывается на магнитопровод со значительным числом витков проводником с изоляцией, рассчитанной на напряжение сети. В обоих исполнениях взаимодействие магнитного поля с током дуги должно приводить к появлению усилия, перемещающего дугу в камеру. Выполнение этого условия можно проверить, например, правилом левой руки: если расположить в зоне горения дуги ладонь с вытянутыми пальцами и отогнутым в плоскости ладони под прямым углом большим пальцем таким образом, чтобы пальцы располагались по направлению тока в дуге, а магнитный поток от системы магнитного дутья ”входил” в ладонь, то большой палец покажет направление перемещения столба дуги.

Если представить дугу как проводник с током i, помещенный в магнитное поле с индукцией B, то сила перемещения, воздействующая на дугу, опре-

ãäå l – длина проводника; Ψ – угол между вектором индукции и вектором тока.

Если учесть, что в системах магнитного дутья угол Ψ = 90 °C и индукция B = μ0H, то (4.10) преобразуется к виду:

ãäå μ0 – магнитная проницаемость (в данном примере для воздуха μ0 = 4π10−7Ãí/ì).

Если принять допущение о том, что магнитопровод системы магнитного дутья в процессе работы не насыщается, то напряженность магнитного поля в зоне горения дуги

ãäå N – число витков катушки магнитного дутья; i – ток в катушке; – расстояние между пластинами магнитопровода в зоне перемещения дуги (см. рис. 4.14).

Далее необходимо учесть, что при последовательном дутье ток в катушке равен коммутируемому току, а при параллельном дутье определяется соотношением

перемещения дуги не зависит от направления (полярности) коммутируемого тока и дугогасительное устройство может применяться как в цепи постоянного, так и в цепи переменного тока. Использование системы параллельного магнитного дутья целесообразно в цепях постоянного тока при соблюдении правильной полярности включения катушки.

На рис. 4.15 [50] для сравнения приведены зависимости силы последовательного P1 и параллельного P2 магнитного дутья, а также соответствующие этим силам времена дуги от отключаемого тока. Эти зависимости показывают, что в общем случае при отключении малых токов параллельное дутье более эффективно и время дуг и меньше по сравнению с последовательным дутьем. При увеличении отключаемого тока в дугогасительном устройстве с последовательным дутьем сила дутья быстро возрастает (пропорционально квадрату тока), время

дуги уменьшается и поэтому целесообразность применения именно такого устройства при коммутации больших токов очевидна.

Кроме описанных систем магнитного дутья находят также применение дугогасительные устройства с постоянными магнитами, которые по принципу действия аналогичны системам с параллельным дутьем.

Важную роль в дугогашении играют камеры, которые могут быть щелевыми (разной конфигурации), с деионными металлическими пластинами (дугогасительной решеткой) и комбинированными. В камере с решеткой дуга при горении разделяется пластинами на ряд более коротких дуг, интенсивно охлаждается и быстро гасится.

При расчете контактора обычно заданы номинальный ток Iíîì, предельный отключаемый ток Iïð, номинальное напряжение Uíîì, коммутационная износостойкость, относительная продолжительность включения и частота коммутационных операций в час.

Примерный порядок расчета параметров контактора по рекомендациям проф. Таева И.С. сводится к следующим этапам.

1.Определяется площадь сечения токоведущих частей аппарата при номинальном и предельных токах (в кратковременном режиме). При этом температура нагрева токоведущих частей не должна превышать (в соответствующем режиме) допустимую температуру для применяемой в аппарате изоляции.

2.Рассчитывается сила контактного нажатия: а) в продолжительном режиме номинального

тока (критерий – допустимая температура нагрева контактного материала в точках контактирования); б) в кратковременном режиме при коммутации предельного тока. Возникающие при этом электродинамические силы отталкивания в контактах не должны приводить к расхождению и привариванию

контактов;

Рис. 4.15. Зависимости силы магнитного дутья и времени дуги от отключаемого тока

Активное электрическое сопротивление канала дуги, образовавшегося после расхождения контактов аппарата, нарастает во времени под воздействием дугогасительного устройства вплоть до бесконечности, когда этот канал превращается в изолятор, а ток цепи становится равным нулю. Нарастающее во времени сопротивление канала дуги может оказаться значительно выше сопротивления нагрузки и это существенно повлияет на условия отключения цепи автоматическим выключа- телем, который будет отключать уже ограниченный ток.

Впервые О.Б. Брон установил [50], что электри- ческое сопротивление дуги, возникающей в местах коротких замыканий, оказывается также высоким, так как большие токи короткого замыкания вызывают электродинамический отброс перемычек между проводами, образование и быстрое растяжение электрической дуги. Полученные статистические опытные данные позволили прийти к выводу о том, что в реальных условиях работы автоматических выключателей предельные токи короткого замыкания не превышают 70–80 кА. На рис. 4.16 изображена опытная кривая, отражающая взаимосвязь между фактическим током короткого замыкания Iô (кривая 2) и расчетным током короткого замыкания Iðàñ, полученным при условии металлического короткого замыкания (кривая 1).

На рис. 4.17 даны кривые изменения во времени тока дуги при отключении цепи постоянного тока без ограничения его сопротивлением дуги (кривая 1) и при ограничении тока этим сопротивлением (кривая 2). Кривая 3 отражает рост сопротивления дуги Rä(t) во времени. В первом случае автомати- ческий выключатель разрывает дугу с током I ¢max,

во втором – с током I ¢¢max << I ¢max, и условия гашения дуги во втором случае значительно легче, чем в первом.

Полное время отключения токоограничивающего автоматического выключателя определяется

tïîëí = t0 + t1 + t2 ,

ãäå t0 – время от возникновения короткого замыкания до достижения тока срабатывания Iñð механизма автоматического выключателя; t1 – время работы механизма расцепления и выбора провала контактов; t2 – время гашения дуги.

Из рис. 4.17 видно, что tïîëí для автоматического выключателя с ограничением тока значительно меньше, чем для автоматического выключателя без ограничения тока. Заметим, что так называемое

собственное время отключения автоматического выключателя является суммой времен t1 è t2.

Ограниченный дугой ток при постоянном напряжении можно оценить:

ãäå U – напряжение сети; Rí – сопротивление нагрузки до места короткого замыкания; Rä.àïï – сопротивление дуги в аппарате; Rä.êç – сопротивление дуги в месте короткого замыкания.

Изменяющийся во времени iîãð можно определить

ãäå Eä¢ è lä¢(t) – градиент напряжения и изменяющаяся во времени длина дуги в дугогасительном устройстве аппарата; E 0ä è l 0ä – градиент напряжения и длина дуги в месте короткого замыкания. Для приближенных расчетов можно принять iä = Iêç ¤ 2 и использовать зависимости для Eä è lä, приведенные в гл. 2.

Характеристики процессов отключения переменного тока в условиях его ограничения сопротивлением Rä(t) дуги дана на рис. 4.18. Из-за изменения сопротивления дуги угол сдвига фаз между

Рис. 4.16. Степень ограничения токов КЗ сопротивлением

Рис. 4.17. Кривые изменения токов при отключении короткого замыкания (постоянный ток)

Рис. 4.18. Процессы отключения переменного тока при ограни- чении его сопротивлением дуги

током и напряжением изменится от ϕ0 äî ϕîãð, максимальное значение тока уменьшится от I 0max äî Iîãð, возвращающееся напряжение промышленной частоты снизится от U0 äî U0′. Все это существенно облегчит условия гашения дуги переменного тока:

уменьшение угла сдвига фаз ϕ и напряжения U0 снизит скорость изменения восстанавливающегося напряжения, а снижение тока повысит восстанавливающуюся прочность. Приближенно параметры этих процессов определяются

Для дальнейшей расшифровки этих зависимостей можно воспользоваться теми же зависимостями, что и для ограниченного сопротивлением дуги постоянного тока. Штриховая линия на рис. 4.18 – характеристика тока без его ограничения сопротивлением дуги.

Для выполнения защитных функций выключа- тели снабжаются специальными устройствами, воздействующими в аварийных режимах на механизм свободного расцепления. В связи с этим они полу- чили 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, сраба-

тывающие 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 короткие замыкания. В электроустановках также часто возникают токовые перегрузки. Поэтому выключатели в первую очередь содержат расцепители максимального тока.

Выключатели, рассчитанные на массовое применение, особенно на номинальные токи ниже 630 А, например, отечественной серии ВА50-52 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 коротких замыканий.

В термобиметаллических расцепителях используется сила упругих деформаций, возникающих при

нагревании термобиметаллического элемента (пластины из специального сплава с различным коэффициентом линейного расширения сторон пластины). 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.

Вид защитной характеристики (зависимости времени срабатывания от тока) определяется назначением аппарата и перегрузочной способностью защищаемого объекта (двигатель, кабель и т.д.).

На рис.4.20 даны защитные характеристики выключателя А3700 при двух уставках по времени на шкале расцепителя (зона 1 – tóñò = 16 ñ, çîíà 2 – tóñò = 4 с); на оси абсцисс отложено отношение

Рис. 4.20. Защитные характеристики автомата А3700

реального тока i к номинальному току Iíîì автоматического выключателя.

Âраспределительных 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: пневмати- ческие, гидравлические, с анкерным механизмом.

Âсвязи с усложнением требований к качеству защиты низковольтных электроустановок (чувствительности, селективности, быстродействию и надежности) в шестидесятые годы появились полупроводниковые расцепители. В основном èç-çà âû-

сокой стоимости сначала их стали применять

âмногоамперных аппаратах (на номинальные токи свыше 1000 А). Сейчас они широко применяются

âвыключателях с номинальными токами свыше 160 А. В нашей стране первыми аппаратами с новым типом расцепителя были выключатели серии

”Электрон” и выключатели серии АЗ700. 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.

На рис. 4.21 приведена структурная схема полупроводникового расцепителя. В качестве датчика тока применены нестандартные встроенные трансформаторы тока. Они одновременно используются

также и для электропитания устройства. Такое техническое решение использовано практически во всех аппаратах переменного тока.Объединение сигналов от каждой фазы в виде напряжения на резисторах R1, R2 è R3 выполняется при помощи выпрямителя. Сигнал напряжения, пропорциональный току, с резистора R1 поступает на суммирующий блок UΣ. Если под воздействием перегрузки срабо-

тает полупроводниковое реле Ê1, в суммирующий блок пройдет сигнал, снимаемый с цепочки временной задержки R4C1. Когда результирующий сигнал в суммирующем блоке UΣ достигнет поро-

гового значения, суммирующий блок выдаст сигнал на отключающий орган ÎÊ выключателя. Таким образом формируется защитная характеристика со временем срабатывания обратнозависимым от тока в зоне токов перегрузки. Для создания независимой от тока характеристики срабатывания в зоне токов короткого замыкания используется сигнал, снимаемый с резистора R3.

Важно отметить, что с помощью полупроводниковых расцепителей удалось существенно повысить чувствительность защиты к коротким замыканиям

ñмалыми токами замыкания, соизмеримыми с токами рабочих и пусковых режимов, в частности, к однофазным замыканиям в четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью, к коротким замыканиям

ñтоками, ограниченными дугой, к витковым замыканиям в электродвигателях и трансформаторах и т. д. Для этой цели используются фильтры токов 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 гибки-

гогасительное устройство образовано камерой 6 с узкой щелью, совмещенной с дугогасительной решеткой 5 из стальных пластин. В это устройство входит пламегасительная решетка 7 для ограниче- ния выброса пламени и ионизированных газов на выходе из камеры. Чтобы избежать перемещения вниз столба дуги, расстояние между дугогасительными контактами и ширина образующегося просвета между ними принимаются малыми. Небольшая площадь ”закупоривает” выход дуговых газов вниз, создает в этой зоне повышенное давление, которое выталкивает дугу вверх, в дугогасительную камеру.

Для повышения быстродействия автоматических выключателей используется индукционно-ди- намический привод. На рис. 4.23 показана схема автоматического выключателя ВАТ-42. 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:

P = dWýì ¤ dx = i1i2 dM ¤ dx , (4.20)

ãäå Wýì – электромагнитная энергия системы; i1, i2 – токи в катушке и диске; M – взаимоиндуктивность системы; x – перемещение диска.

Через деталь 6 движение передается к контактам K, которые размыкают цепь главного тока I0 защищаемой цепи.

Существует автоматический выключатель, в котором ток защищаемой цепи протекает через дисковую обмотку, рядом с которой располагается медный диск, связанный с подвижной системой и контактами, размыкающими цепь главного тока. Большая скорость изменения тока при возникно-

Рис. 4.23. Индукционно-динамический автоматический выклю- чатель

вении короткого замыкания (и магнитного потока от него) наводят в диске ток (поток), взаимодействие которых создает силу отталкивания диска от обмотки и размыкание контактов защищаемой цепи с током.

В отечественной промышленности распространены быстродействующие автоматические выклю- чатели серии ВАБ. На рис. 4.24 поясняется принцип действия автоматического выключателя ВАБ20М. Основная токоведущая шина 5, включенная в цепь главного тока, охвачена магнитопроводом 4. С ней механически связаны якорь 8 электромагнита и вал 7, имеющий возможность поворачиваться вокруг оси О1. Протекающий по шине 5 ток создает магнитный поток, который может замыкаться как через зазоры d2, так и через зазоры d1. Левые полюсные наконечники 6 охвачены короткозамкнутыми витками 10. Åñëè òîê â øèíå 5 не изменяется во времени, то в короткозамкнутых витках нет вихревых токов и создаваемое ими реактивное магнитное сопротивление равно нулю. Поток, созданный током шины 5, замыкается в основном через зазоры d2, так как они значительно меньше воздушных зазоров d1. В результате возникает сила притяжения якоря к полюсам 6, которая передается шине 5 и жестко связанным с нею подвижным контактам K главной цепи. Сила притяжения контактов с увеличением тока возрастает. Это явление наблюдается при номинальных токах.

Когда же в цепи возникает короткое замыкание и ток резко увеличивается, изменяющийся магнитный поток наводит в короткозамкнутых витках большие вихревые токи. Реактивное магнитное сопротивление в этих частях магнитопровода резко возрастает и основная доля магнитного потока от тока в шине 5 замыкается уже через воздушные зазоры d2. Результирующая электромагнитная сила перемещает якорь 8 è øèíó 5 вправо. Связанные с нею контакты размыкают цепь главного тока I0. Одновременно поворачивается по часовой стрелке рычаг 7. Установленный на нем валик 9 западает за выступ детали 1. Подвижная система автоматического выключателя останется в крайнем правом положении, соответствующем отключенному состоянию автоматического выключателя.

Для включения автоматического выключателя необходимо подать напряжение на включающую катушку Wâ. Тогда к полюсам притянется якорь 3, а связанный с ним выступ 2 переместится вверх, поднимет конец рычага 1 и валик 9 выйдет из зацепления с выступом рычага 1. Под действием силы пружины Pï рычаг 7 и подвижная система автоматического выключателя перейдут в крайнее

левое положение. Автоматический выключатель включится. Дистанционное отключение автомати- ческого выключателя осуществляется подачей напряжения на отключающую катушку W0.

Дальнейшим развитием быстродействующих выключателей с индукционно-динамическим приводом стали выключатели ВБ-630, применяемые для защиты электрооборудования метровагонов. Номинальный ток данных аппаратов 630 А, номи-

Рис. 4.24. Быстродействующий автоматический выключатель ВАБ-2ОМ

нальное напряжение 750 В постоянного тока. Собственное время отключения выключателя (время до начала размыкания контактов) не более 1мс. Предельный отключаемый ток при индуктивности контура 0,5 мГн–40 кА. Полное время отключения не более 20 мс. Наибольшее восстанавливающееся напряжение на контактах не превышает 3900 В и обеспечивается применением шунтирующих варисторов.

Выключатель ВБ-630 представляет собой однополюсный аппарат, содержащий контактно-дугога- сительную систему мостикового типа с индукцион- но-динамическим приводом для автоматического срабатывания и электромагнитным приводом для оперативных коммутаций. В качестве датчика тока используются герконовые токовые реле.

При коротком замыкании, когда ток в главной цепи превысит значение уставки датчика тока, предварительно заряженный накопительный конденсатор разряжается на катушку индукционно-ди- намического привода (ИДП), который быстро размыкает контакты, вызывая тем самым эффективное ограничение тока.

Контактно-дугогасительная система показана на рис. 4.25. Мостиковое контактное соединение состоит из подвижного контакта 12 и двух неподвижных контактов 19. Каждое контактное соединение помещено в дугогасительную камеру 13.