Автоматические выключатели

служат для автоматического отключения эл. 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.

Конструкции параметры и защитные функции выключателей весьма разнообразны, однако по быстродействию их можно разделить на нормальные , с выдержкой времени на отключение и токоограничивающие. Быстродействием определяются основные принципы конструирования. В отдельную группу следует выделить выключатели гашения магнитного поля.

В зависимости от вида воздействующей величины автоматы делятся

Нормальные выкл.:

собственное время отключения их , в зависимости от номинального тока и конструкции лежит в пределах 0.02-0.1 с.

Выключатели с выдержкой времени- эти выключ. после получения импульса на срабатывание, то есть перед отключением осущ. выдержку временем. Они нужны для селективной защиты, что достигается за счет разной выдержки времени.

Токоограничивающие выкл.

Время откл не должно превышать 0.005 с в отдельных конструкциях 0.001 с

Токоограничивающие выкл. применяются во всех выпрямительных установках для защиты анодных цепей при обратных зажиганиях.( На железных дорогах, линиях метрополитена а так же во многих мощных установках с короткими линиями передачи).. Большое значение этих выкл. обусловлено тем, что они ликвидируют аварию раньше чем она успевает развиться до своих максимальных размеров.

Выключатели гашения магнитного поля применяются в цепях возбуждения крупных машин, если в результате нарушения изоляции внутри машины возникло к.з. , то единственным способом позволяющим ограничить размеры аварии является быстрое сведение к 0, то есть гашение магнитного поля обмотки возбуждения- Эту задачу выполняют выкл. магнитного поля. , отключая обмотку возбуждения от источника питания. Однако, непосредственное ее отключение недопустимо. Вследствие большой индуктивности обмотки при обрыве тока на ее зажимах возникают очень большое напряжение, способное вызвать нарушение или пробой изоляции самой обмотки. Широкое применение получил способ гашения путем разрядки обмотки возбуждения на постоянный и переменный резистор: большая электромагнитная энергия, накопленная в обмотке возбужде­ния, тратится в резисторе. Этот же резистор ограничивает ток воз­будителя после замыкания контакта.

Чтобы магнитное поле возбуждения спадало с максимальной ско­ростью и напряжение на обмотке не превышало допустимое значение, сопротивление Rp должно быть нелинейным и увеличиваться по мере спада тока. В автомате гашения поля роль резистора Rp играет электрическая дуга в дугогасительной решетке. 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 выключаются шунтирующие резисторы.

ВОЛ Максимальные автоматы по току

Минимальные автоматы по току

Минимальные автоматы по напряжению

Автоматы обратного тока

Поляризованные автоматы (отключают цепь при нарастании тока в

одном — прямом направлении)

Неполяризованные, реагирующие на возрастание тока в любом направлении.

Селективные должны иметь регулировку тока и времени срабатывания.

Универсальные автоматы осуществляют комбинированную защи­ту — максимальную по току и минимальную по напряжению.

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 автомате на ток более 200 А токоведущая цепь имеет главные и дугогасительные контакты. Вклю­чение автомата может производиться вручную рукояткой или эл. магнитом. Гашение дуги происходит в камере.

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, 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. Собственное время от­ключения автомата зависит от способа расцепления и конструкции контактов, мас­сы подвижных частей и дру­гих факторов.

Если t1≥ 0,01 с, (время работы механизма расцепления и выбор провала контактов), то автомат называ­ется обыкновенным (небы­стродействующим). В этом случае к моменту размыкания контактов цепи ток до­стигает установившегося значения

I к. уст. Такой авто­мат не обеспечивает токоограничения и его контактами отключается установившийся ток КЗ.

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

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.

Во избежание приваривания контактов применяется электродинамическая компенсация, при протекании тока в дугогасительном контуре на проводник, несущий неподвижный дугогасительный контакт, действует электродинамическое усилие, увеличивающее нажатие кон­тактов.

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

Выкл. состоят из след. осн узлов: главной контактной системы, дугогасительной системы, привода, вспомогательных контактов, механизма свободного расцепления и элементов защиты — расцепителей.

Главная контактная система определяющий элемент выкл., она должна удовлетворять двум основным требованиям: обеспечивать не перегреваясь и не окисляясь продолжительный режим работы при номин. токе. Быть способной не повреждаясь отключать большие токи к.з. В связи с этим в выключателях на большие токи с высокой откл. способностью применяются двухступенчатые контактные системы состоящие из главных и дугогасительных контактов

Дугогасительная система должна обеспечивать откл. больших токов к.з. в ограниченном объеме: под воздействием возникающих сил дуга быстро растягивается и гаснет, но ее пламя занимает очень большие пространства; задача дугогасительного устройства закл в том , чтобы ограничить размеры дуги и обеспечить ее гашение в малом обьеме. С этой целью широкое распространение получили камеры с дугогасительными решетками и камеры с узкими щелями.

В автоматах применяются полузакрытое и открытое исполнения дугогасительных устройств. В полузакрытом исполнении автомат закрыт изоля­ционным 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 РУ, 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, обеспечивают гашение дуги с током до 50 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. 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 камеры и пе­регородки изготавливаются из асбоцемента или керамики.

Зигзагооб­разная форма щели уменьшает габаритные размеры авто­мата. В такой камере дуга интенсивно охлаждается стенка­ми

Для того чтобы камера не разрушалась под воздействи­ем температуры, дуга должна двигаться непрерывно с боль­шой скоростью. При недостаточно высокой скорости движения дуги происходит разрушение дугогасительного устройства. 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 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.

Привод служит для включения выкл. по чьей –либо команде, выполняются с ручным , двигательным , электромагнитным, пневматическим, гидравлическим, электромеханическим.

Ручные приводы применяются при номинальных токах до 200 А.

Электромагнитные приводы при токе до 1 кА, обеспечивающие необходимую скорость нараста­ния давления в контактах. Недостатками электромагнитного привода являются большие скорости движения и удары в механизме, которые могут приводить к вибрации контак­тов.

На токи 1500 А и выше приме­няют электродвигательный привод. ЭД сое­динен с автоматом через понижающую зубчатую передачу. Достоин­ствами этого привода являются плавный ход механизма и отсутствие ударов.

Расцепители

Отключение автоматов происходит под действием элементов защиты- расцепителей

Они представляют собой реле встроенные в выключатель, в зависимости от исполнения расцепители бывают:

1. Электромагнитные –(токовые максимальные мгновенного или замедленного действия) - мгновенного действия от КЗ и замедленного действия ( от перегрузки)

2. Тепловые работают в зависимости от значения тока и времени его протекания применяется для защиты от перегрузок.

3. Комбинированные срабатывают при сочетании ряда факторов- при КЗ и перегрузке

4. Полупроводниковые- от КЗ и перегрузке

5. Минимальный- для откл. выкл. при снижении напряжения ниже опред. уровня или исчезновении

6. расцепители обратного тока, срабатывают при изменении направления тока;

7. независимые - для дистанционных откл. выкл. срабатывают при подаче на них соответствующего напряжения

8. Вспомогательные для переключения в сетях управления , блокировки и сигнализации в зависимости от коммутационного положения выкл-теля. Они выполняются обычно в виде отдельного блока, связанного с подвижной частью выключателем.

Электромагнитный расцепитель прост по конструкции, обладает высокой терми­ческой и электродинамической стойкостью и стойкостью к механическим воздействиям.

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.

Наиболее просто зависящая от тока выдержка времени получается с помощью тепловых расце­пителей, 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 растёт усилие, необходи­мое для расцепления автомата. Поэтому тепловой расцепи­тель применяется при токах до 200 А.

3. Выдержка времени тепловых расцепителей зависит от температуры окружающей среды.

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 .

Для дистанционного отключения автомата устанавлива­ется независимый электромагнитный расцепитель, электромагнит которого может быть как посто­янного, так и переменного тока.

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

ВЫБОР АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Для двигателей с к-з ротором ток уставки электромагнитного расцепителя

I эм ≥ (1,5…1,8) Iпуск

Для двигателя с фазным ротором I эм ≥ (2,5…3) Iном

Для группы короткозамкнутых двигателей I эм ≥(1,5…1,8)(∑ I ном + ( I пуск – I ном)' )

где разность( I пуск – I ном) берется для. двигателей, у которых она наибольшая.

Для группы двигателей с фазным ротором Iэм ≥ (1,5…2)Iґном +∑ I ном

где Iґном —ток двигателя с наибольшим пусковым током.

Ток теплового или комбинированного расцепителя I ном расц ≥1,5 Iном

Выбор по току КЗ:

Для автоматов с электромагнитным расц. I к / Iэм ≥1,25…1,4

С комбинированным расцепителем I к / Iном расц ≥ 3