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)

17.1. 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 t ₀). Время t ₀ 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 +} t ₁ + t ₂, является полным временем отключения автомата.

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

Собственное время от­ключения автомата зависит от способа расцепления и конструкции контактов и массы подвижных частей и дру­гих факторов. Если t ₁ ≥ 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 t ₁ 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.

17.2. 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.

17.3. 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».

1. 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.

17.4. 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»

17.1. 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

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/R в, 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.

17.8 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.