2. АППАРАТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
2.1. Автоматические выключатели
2.1.1. Общие сведения
Автоматический выключатель (автомат) - аппарат, предназначенный для нечастых замыканий и размыканий электрической цепи и длительного прохождения по нему тока, а также для автоматического размыкания цепей при появлении в них короткого замыкания, перегрузок по току, падениянапряжения ниже допустимого, изменении направления тока или мощности. Применение выключателей вместо плавких предохранителей дает следующие преимущества: - при перегрузке или коротком замыкании выключатель отключает все фазы защищаемой им цепи, благодаря чему исключается возможность однофазной работы трёхфазных двигателей; - уменьшаются простои, так как включить сработавший выключатель быстрее, чем сменить сгоревший предохранитель; - выключатели имеют защитные характеристики срабатывания, обеспечивающие более совершенную защиту, чем плавкие предохранители. Вместе с тем автоматические включатели имеют более высокую стоимость, чем предохранители. В зависимости от назначения и требуемых параметров автоматические выключатели различают по мощности (току), числу полюсов (одно-, двух- и трёхполюсные), исполнению защитных расцепителей, быстродействию и конструктивному исполнению. К автоматам предъявляют следующие требования: - токоведущая цепь автомата должна пропускать номинальный ток в течение сколь угодно длительного времени, а также выдерживать воздействие больших токов КЗ; - автомат должен обеспечивать без повреждений многократное отключение предельных токов КЗ; - для обеспечения электродинамической и термической стойкости энергоустановок, уменьшения разрушений, вызываемых токами КЗ, автоматы должны иметь малое время отключения; - элементы защиты должны обеспечивать необходимое время срабатывания и селективность. В любом автомате есть следующие основные узлы: токоведущая цепь, дугогасительная система, привод автомата, механизм свободного расцепления и элементы защиты - расцепители. Токоведущая цепь. Наиболее важной частью токоведущей цепи 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 часто пары главных и дугогасительных контактов. Основные контакты облицовываются серебром либо металлокерамикой (серебро, никель, графит). Дугогасительные покрываются металлокерамикой (серебро, вольфрам и серебро, никель). Дугогасительная система. В автоматах применяются полузакрытое и открытое исполнение дугогасительных устройств. В установочных и универсальных автоматах массового применения широко используется деионная дугогасительная решетка из стальных пластин, рис. 2.1. В решетке на рис. 2.1.а) дуга выводится на пластины и делится между ними с помощью магнитного поля напряженностью Н, создаваемого специальной системой, на короткие дуги. На рис.2.1.6) дуга втягивается в решётку за счет электродинамических усилий, возникающих в контуре 1, 3, 2, и за счёт усилий, действующих на дугу, благодаря наличию ферромагнитных пластин 5.
Рис. 2.1. Виды дугогасительных решёток
Ферромагнитные пластины применяются на постоянном и переменном токе частотой 50 Гц. В этом случае сила, действующая на дугу, перемещает её в решетку и препятствует выходу дуги из неё. Это является большим достоинством ферромагнитных пластин. При этом дуга горит с минимальным выбросом ионизированных и нагретых газов из дугогасительного устройства. Недостатком дугогасительной решетки является прогорание пластин в повторно-кратковременном режиме при токе 600 А и более. Для уменьшения этого процесса пластины покрывают медью или цинком. 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. Недостатком электромагнитного привода являются большие скорости движения и удары в механизме, которые могут привести к вибрации контактов. В автоматах на токи 1500 А и выше желательно применение электро- двигательного привода. Расцепители. Расцепитель - узел автомата, контролирующий заданный параметр и подающий сигнал на отключение при отклонении этого параметра от установленного значения. Различают конструкции расцепителей: тепловое реле (биметаллическая пластина), электромагнитный и полупроводниковый. Тепловой расцепитель обеспечивает защиту электрических объектов в режиме тепловой перегрузки. Биметаллическая пластина нагревается за счет прохождения через неё тока, изгибается и разрывает цепь питания электрооборудования. Однако эти расцепители имеют следующие недостатки: - с ростом отключаемого тока растет усилие, необходимое для расцепления автомата. Поэтому тепловой расцепитель применяется при токах до 200 А; - выдержка времени тепловых расцепителей зависит от температуры окружающей среды; - малая термическая стойкость тепловых расцепителей определяет малую допустимую длительность КЗ, что затрудняет получение необходимой селективности. Электромагнитный расцепитель обеспечивает максимальную (по току КЗ) и минимальную (по напряжению) защиту. На рис.2.2 показана схема работы максимального расцепителя. При прохождении по цепи катушки 2 электромагнитного расцепителя номинального тока пружина 3 удерживает якорь электромагнита 4 разомкнутым, а защелка 1 - главные контакты ГК - замкнутыми. При повышении тока в цепи катушки 2 сила тяги электромагнита возрастает до величины, превосходящей силу удерживающей пружины 3. Якорь 4 замыкает магнитную цепь электромагнита, этим освобождая защелку 1 и размыкая ГК. На рис. 2.3 показана схема работы минимального расцепителя. При номинальном напряжении в цепи катушки 1 электромагнита протекает ток, достаточный для создания силы тяги, чтобы удержать якорь 5 в притянутом состоянии. При снижении напряжения в питающей сети снижается ток в цепи катушки 1. Сила удерживающей катушки 3 в какой-то момент превосходит силу тяги электромагнита 1, отрывает якорь 5 от катушки, размыкает защелку ,2 и размыкаются ГК. Регулирование IСРАБ можно производить за счет натяжения пружины или изменением числа витков обмотки.
Схема работы максимального расцепителя
Рис. 2.3. Схема работы минимального расцепителя
Более совершенной является защита с помощью полупроводниковых расцепителей, которые широко используются в современных автоматах серий А- 3700 и ВА.
2.1.2. Конструкции автоматов По виду защиты автоматы делятся на автоматы с электромагнитными, полупроводниковыми расцепителями (максимального тока); автоматы с комбинированным расцепителем (электромагнитным и тепловым); автоматы с расцепителем минимального напряжения (нулевая защита). Рассмотрим устройство автомата с комбинированным расцепителем, рис. 2.4. Это могут быть автоматы типа АЕ-2000, А-3700, ВА и др. Вручную включают и отключают автомат при помощи рукоятки 4. Для включения автомата рукоятку переводят вниз, при этом деталь 3 поворачивается и своим нижним концом входит в зацепление с зубом 6 удерживающего рычага 7. Затем рукоятку 4 перемещают вверх. При этом под действием пружины 5 рычаги 11 и 12 перемещаются вверх по отношению к нейтральному положению. Автомат включается и ток течет через замкнутые контакты 13 и 14, гибкую связь 10, катушку электромагнитного расцепителя и нагревательное устройство теплового расцепителя 8. Автоматическое отключение при коротком замыкании происходит вследствие того, что якорь электромагнитного расцепителя под действием силы FM притягивается и зуб 6 выходит из зацепления с деталью 3. Пру- жина 5 поворачивает деталь 3, при этом рычаги 11 и 12 проходят через нейтральное положение – автомат отключается. Аналогично происходит отключение автомата при токах перегрузки. При этом свободный конец биметаллического расцепи- теля 8 перемещается вниз и зуб 6 выходит из зацепления с деталью 3. Ручное отключение автомата происходит при перемещении рукоятки 4 вниз. При этом конец пружины 5 также перемещается вниз, а рычаги 11 и 12 проходят через нейтральное положение, отключая контакты.
Рис. 2.4. Устройство комбинированного автоматического выключателя
Возникающая при размыкании контактов автомата электрическая дуга гасится в дугогасительной решетке 1. Повышение давления внутри замкнутого объема, образованного изоляционным основанием и крышкой 2, способствует гашению дуги. Электромагнитный расцепитель максимального тока срабатывает практически мгновенно при достижении тока отсечки (отсечка происходит мгновенно при десятикратном токе и более), а время срабатывания теплового расцепителя при перегрузках, меньших тока отсечки, определяется защитными характеристиками. Серия выключателей состоит из четырех величин (1, 2, 3, 4) на номинальные токи соответственно 160, 250, 400 и 630 А. Расцепители токовой защиты выполнены на полупроводниковых (РП) и электромагнитных (РЭ) элементах. Выключатели выпускаются также и в неавтоматическом исполнении. Большим преимуществом этого выключателя является то, что как полупроводниковые, так и тепловые расцепители максимального тока являются съемными сменными блоками. По роду защиты выключатели могут быть предназначены для селективной защиты (3 и 4 величины) и токоограничения (все величины). Уставки по току и по времени срабатывания полупроводниковых максимальных расцепителей могут регулироваться в широких пределах. Коммутирующее устройство состоит из подвижных и неподвижных контактов с одним контактным промежутком, изготовленных из металлокерамической композиции на основе серебра. Дугогасительные камеры с деионной решеткой расположены над контактами каждого полюса выключателя и представляют собой набор укрепленных в изоляционной оправе стальных пластин, с помощью которых происходит разделение дуги на ряд последовательно соединенных коротких дуг. Механизм управления выключателем выполнен по принципу ломающихся рычагов и устроен так, что обеспечивает моментальное замыкание и размыкание контактов при оперировании выключателем, а также моментальное размыкание контактов при автоматическом срабатывании. Выключатели выпускаются с ручным или с дистанционным малогабаритным электромеханическим приводом. ВА — автоматические выключатели общего применения на номинальные токи до 630 А. Номенклатура выключателей типа ВА чрезвычайно широка. Технические характеристики определяют две цифры, стоящие после букв ВА. ВА-14 — для защиты электрических цепей общего и бытового назначения напряжением до 380 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Автоматы одно-, двух-, трехполюсные, с тепловым и электромагнитным расцепителями. ВА-16 - для защиты осветительных цепей с номинальным напряжением до 380 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц. Автоматы однополюсные, с тепловым и электромагнитным расцепителями, поэтому нетокоогрничивающие. ВА-51, ВА-52 - для защиты в режимах короткого замыкания, перегрузках и недопустимого снижения напряжения в электрических установках с номинальным напряжение до 660 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц и до 400 В постоянного тока. Могут быть установлены на высоте до 4300 м над уровнем моря. Расцепители - электромагнитный и тепловой. ВА—53 - для защиты асинхронных двигателей от КЗ и перегрузок в цепях с номинальным напряжением до 660 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц и 400 В постоянного тока. Автоматы с полупроводниковым расщепителем, поэтому токоограничивающие.
