Судовые станции и сети - Аппараты защиты

Неправильная работа схемы защиты или ее элементов может повлечь за собою перебои в снабжении электрической энергией судовых электромеханизмов.
Потеря питания рулевого электропривода даже на относительно короткий промежуток времени может вызвать тяжелые последствия для судна.
В связи с этим, вопросам защиты судовых электроэнергетических установок в последние годы стали придавать чрезвычайно большое значение.
Защита судовых электроэнергетических установок осуществляется автоматическими воздушными выключателями и предохранителями.

Плавкие предохранители.

Плавкие предохранители предназначены для защиты элементов электрических установок при перегрузках и коротких замыканиях, которые могут возникнуть в них.
Принцип действия плавких предохранителей основан на том, что последовательно в защищаемую цепь вводят проводник такого относительно малого сечения, который при номинальном токе нагрузки нагревается до температуры близкой к температуре плавления проводника. Тогда, даже при относительно небольших перегрузках проводник (плавкая вставка предохранителя) плавится и размыкает защищаемую им цепь электрического тока.
Для предохранения расположенных вблизи устройств и обслуживающего персонала от частиц расплавленного металла плавкой вставки и электрической дуги, возникающей в местах плавления плавкой вставки, последняя чаще всего заключается в специальный патрон, изготовленный из изолирующего материала.
Благодаря простоте конструкции и малой стоимости, а также высокому быстродействию при больших кратностях тока, предохранители нашли себе широкое применение в качестве аппаратов защиты элементов электрических установок.
Однако предохранители обладают и рядом недостатков, которые ограничивают их применение. К числу наиболее существенных из них относятся:

1. Невозможность использования предохранителей в качестве коммутирующих аппаратов, что заставляет применять, кроме предохранителей, еще и рубильники или пакетные выключатели и приводит к увеличению габаритов и веса распределительных устройств.
2. Ограниченная отключающая (разрывная) их способность, что зачастую исключает возможность их применения для защиты элементов относительно мощных электроэнергетических систем.
3. Неудовлетворительная защита установок при малых перегрузках.
4. Необходимость замены плавкой вставки предохранителя или целого патрона при срабатывании предохранителя, на что требуются относительно большой промежуток времени и запасные элементы предохранителей.

В настоящее время в судовых электрических установках широкое применение нашли в качестве аппаратов защиты трубчатые плавкие предохранители типа ПР, пробочные плавкие предохранители типа ПД, установочные воздушные автоматические выключатели типа А-3100 и А-3200, воздушные автоматические выключатели типа А-2000.

Рис. 31. Внешний вид предохранителя типа ПР на 220 В, 200 а

Трубчатые предохранители типа ПР. Трубчатые предохранители типа ПР применяются для защиты от длительных и значительных перегрузок и коротких замыканий. Предохранители этого типа выпускаются на токи плавких вставок от 6 до 1000 А и номинальные напряжения 250 и 500 в.
На рис. 31 изображен предохранитель типа ПР. Основными элементами трубчатых предохранителей типа ПР являются: плавкая вставка, патрон, в котором закрепляется плавкая вставка, и две контактные стойки, в которых устанавливается патрон.
Патрон предохранителя представляет собою фибровую трубку, оконцованную ввинчивающимися в нее латунными ниппелями, в которых имеются щелевые отверстия для пропуска концов плавкой вставки. На ниппели навертываются обоймы, зажимающие концы плавкой вставки между ниппелем и обоймой. Обоймы являются также и токоведущими частями предохранителя. Для патронов с номинальным током до 60 А контактной частью служит сама обойма. Предохранители на токи свыше 60 А снабжены ножевыми контактами. К частям ножевых контактов, расположенных внутри патрона, крепятся цинковые плавкие вставки.
Плавкая вставка представляет собою штампованную цинковую пластину, суженную в нескольких местах. В качестве материала для плавкой вставки применяется цинк, обладающий относительно большой антикоррозийной устойчивостью. Благодаря этому плавкие вставки предохранителей ПР длительное время сохраняют свои характеристики без изменения. Ток нагрузки, проходя через плавкую вставку предохранителя, нагревает ее. Нагрев плавкой вставки по ее длине происходит неравномерно. Наибольшее количество тепла выделяется в узкой части плавкой вставки, обладающей наибольшим электрическим сопротивлением. На рис. 32 показано распределение температуры вдоль плавкой вставки при прохождении по ней номинального тока нагрузки.
При номинальной нагрузке наибольшая температура в суженных частях плавкой вставки не достигает температуры плавления цинка.
При коротких замыканиях и значительных перегрузках тепло не успевает отводиться от суженных частей плавкой вставки и она в этих местах перегревается и плавится, благодаря чему в них образуется электрическая дуга.
Высокая температура электрической дуги, образующейся при перегорании плавкой вставки, вызывает быстрое повышение давления внутри закрытого с обеих сторон патрона. Этому способствует интенсивное газообразование с внутренней поверхности фибровой трубки патрона, вызванное высокой температурой внутри него. Давление внутри патрона достигает нескольких десятков атмосфер.

Рис. 32. Распределение температуры вдоль плавкой вставки предохранителя типа ПР при номинальной нагрузке

При повышении давления в патроне затрудняется тепловая ионизация в столбе дуги. Для поддержания дуги требуется более высокий градиент напряжения, чем при нормальном давлении.
Энергия, выделяющаяся в дуге, горящей в замкнутом объеме, идет на увеличение скорости движения газовых молекул, что приводит к увеличению теплопроводности газа и более интенсивному охлаждению дуги.
Все это содействует быстрому ее гашению в патроне.
Предохранители типа ПР, при больших кратностях тока короткого замыкания, отключают поврежденные участки цепи весьма быстро, в течение нескольких тысячных долей секунды. Это приводит к ограничению величины тока короткого замыкания, так как отключение цепи происходит до того как ток короткого замыкания достигнет своего наибольшего значения, что является одним из ценных качеств предохранителей типа ПР применительно к защите судовых электрических установок.
Контактные стойки предохранителя состоят из основания и пружинящего гнезда стойки. Для подключения проводов и крепления стоек к панели распределительного устройства стойки снабжаются винтами для переднего присоединения проводов или шпильками для заднего присоединения проводов.
У предохранителей на токи свыше 60 А патроны снабжены пластмассовой рукояткой для извлечения патрона из контактных стоек при необходимости замены плавких вставок.

Рис. 34. Кривые зависимости времени плавления плавкой вставки и времени гашения электрической дуги предохранителей от силы плавящего тока

Пользование патронами для коммутационных переключений под током недопустимо, так как предохранители на это не рассчитаны.
Нарушение этого правила может привести к перекрытиям между разнополярными элементами электрической цепи во время отключения и ожогам или поражениям электрическим током обслуживающего персонала.
Для извлечения из контактных стоек патронов предохранителей с номинальным значением тока до 60 А служат специальные клещи, изготовленные из изоляционного материала.
Как говорилось выше, предохранители типа ПР предназначены для защиты от длительных и значительных перегрузок и для отключения участков электрической цепи при возникновении в них коротких замыканий. В табл. 24 приведены основные данные предохранителей типа ПР.
При применении предохранителей в условиях, где возможна тряска и вибрация, пользуются специальными зажимами, чтобы предотвратить выпадание патронов из контактных стоек.
На рис. 33 приведены зависимости времени плавления плавких вставок предохранителей от величины проходящего через них тока в логарифмическом масштабе. Так как количество тепла, выделяющегося в плавкой вставке, пропорционально квадрату тока, проходящего через нее, а при большем количестве тепла температура плавкой вставки быстрее достигает значения, соответствующего температуре плавления цинка, то время плавления плавкой вставки имеет обратную зависимость от силы проходящего тока. Подобные зависимости носят название ампер-секундных характеристик предохранителей.
Время плавления одинаковых плавких вставок на одинаковую величину номинальных значений тока получается неодинаковым, как то видно из рис. 34, при одних и тех же токах перегрузки. Всегда имеет место так называемый разброс характеристик предохранителей. Этот разброс характеристик предохранителей обязан, главным образом, неизбежным при производстве плавких вставок производственным допускам.

Таблица 24
Номинальные данные предохранителей типа ПР

Относительно широкая зона разброса характеристик предохранителей во избежание перегорания плавких вставок, при номинальных значениях токов последних, приводит к необходимости выбирать сечение плавких вставок с запасом, учитывающим производственные допуски. Благодаря этому перегорание плавких вставок может происходить при значениях токов перегрузки на 10— 110% больших номинального значения токов плавкой вставки, при неблагоприятных условиях. Эта особенность предохранителей приводит к тому, что они не могут обеспечить надежную защиту элементов электрического оборудования при относительно небольших перегрузках, что является недостатком предохранителей.
При токах короткого замыкания большой кратности предохранители отключают поврежденные участки электрических установок быстро, в течение нескольких тысячных долей секунды (см. рис. 33), и в отношении скорости срабатывания удовлетворяют требованиям, предъявленным к аппаратам защиты судовых электрических установок.
Неудовлетворительная защита предохранителями элементов электрических установок при малых перегрузках и их достоинства в отношении времени срабатывания при коротких замыканиях дают основание рассматривать предохранители как аппараты защиты, предназначенные главным образом для отключения поврежденных элементов электрической цепи при коротких замыканиях и при больших перегрузках.
Как говорилось выше, при перегрузках в суженной части плавкой вставки происходит значительное выделение тепла, повышение температуры до величины плавления цинка, появление электрической дуги в местах плавления цинка, повышение давления внутри фибрового патрона, приводящее к гашению дуги и отключению перегруженного участка цепи.
При возникновении электрической дуги температура и давление внутри патрона достигают значений, опасных для его прочности. Два режима работы предохранителя при этом являются для него наиболее опасными — отключение малых перегрузок и больших токов короткого замыкания.
При малых перегрузках температура суженных частей и плавкой вставки поднимается до значения, соответствующего температуре плавления ее, относительно медленно. При этом обычно плавится та плавкая вставка одного из двух включенных в разные полюса предохранителей, сечение которой окажется меньше. Вследствие этого, при возникновении электрической дуги в патроне одного предохранителя, все напряжение источника тока и электродвижущая сила самоиндукции, возникающая при разрыве электрической цепи, приходится на один, а не на два предохранителя, как то обычно имеет место при коротких замыканиях.

Кроме того, при малых перегрузках и соответственно более медленном нагревании плавкой вставки, большая часть плавкой вставки нагревается до температуры близкой к температуре плавления цинка и соответственно большая часть цинка превращается в парообразное состояние, что также крайне утяжеляет процесс гашения электрической дуги.
Большое количество паров металла и повышенное напряжение, приходящееся на один предохранитель, при отключении малых перегрузок крайне утяжеляют процесс гашения электрической дуги, удлиняют время гашения и разрушительно действуют на патрон предохранителя. Другим, еще более тяжелым режимом работы предохранителя является отключение больших токов короткого замыкания, благодаря большой энергии, выделяющейся в патроне при появлении электрической дуги. Большая энергия вызывает резкое повышение температуры и давления внутри патрона, которое может привести к его разрушению.
Каждый тип предохранителя и каждая его величина имеют свой предельный ток короткого замыкания, при котором предохранитель срабатывает не разрушаясь. Токи, которые предохранители отключают не разрушаясь, характеризуют разрывную способность предохранителей. Чем выше разрывная способность аппаратов защиты, тем выше их качество, тем при больших мощностях электроэнергетических установок они могут быть применены.
Предохранители типа ПР обладают относительно небольшой разрывной способностью, что в ряде случаев ограничивает возможность их применения в судовых электроэнергетических установках большой мощности.
Разрывная способность предохранителей оказывается вполне достаточной для возможности их применения в качестве аппаратов защиты на судах с электроэнергетическими установками малой и средней мощности и ограниченного применения на судах с мощными электроэнергетическими установками.
К защите судовых электроэнергетических установок предъявляется требование избирательности действия или, как его иначе называют, селективности действия. Это требование сводится к тому, чтобы при возникновении повреждения в каком-либо участке сети отключался только поврежденный ее участок, а остальная, неповрежденная часть сети продолжала бесперебойно работать.
Это требование относится в равной степени ко всем аппаратам защиты: предохранителям и автоматическим воздушным выключателям, как при защите установок предохранителями или воздушными автоматическими выключателями, так и при одновременном применении тех и других.
Рассмотрим возможность выполнения требований в отношении селективности защиты электрических установок предохранителями типа ПР.
На рис. 34 приведены кривые, иллюстрирующие процесс отключения тока короткого замыкания предохранителем.

На этом рисунке t1 — промежуток времени, в течение которого плавкая вставка предохранителя нагревается до температуры плавления, t2 — промежуток времени гашения электрической дуги, t — полное время отключения поврежденного участка цепи предохранителем.
При разных кратностях тока перегрузки и короткого замыкания соотношение времени и t2 изменяется. При малых кратностях тока перегрузки, когда время нагревания плавкой вставки велико и измеряется минутами, время t2, составляющее тысячные доли секунды, значительно меньше t1. При больших кратностях токов короткого замыкания время t2 может быть больше времени так как последнее уменьшается также до тысячных долей секунды.
При последовательном включении двух предохранителей на разные номинальные величины токов при возникновении короткого замыкания через оба предохранителя пройдет ток короткого замыкания. Примем его одинаковым по величине для обоих предохранителей.
При таких условиях возможны три случая срабатывания предохранителей: 1) срабатывает меньший предохранитель, а больший не срабатывает; 2) срабатывают оба предохранителя; 3) срабатывает больший предохранитель, а меньший не срабатывает. Первый случай будет иметь место тогда, когда время плавления плавкой вставки большего предохранителя больше полного времени срабатывания меньшего предохранителя.
Обычно это получается при последовательном включении двух предохранителей, различающихся по номинальному току на несколько ступеней по шкале номинальных значений величины тока плавких вставок. Второй случай возможен тогда, когда время плавления плавкой вставки большего предохранителя меньше полного времени срабатывания меньшего предохранителя. Такое соотношение времен возможно, например, тогда, когда номинальные токи плавких вставок расположены рядом по шкале номинальных токов вставок и, кроме того, срабатывание защиты происходит при больших кратностях тока перегрузки. Наконец, третий случай, на практике встречающийся весьма редко, может иметь место тогда, когда полное время срабатывания большего предохранителя меньше времени плавления плавкой вставки меньшего предохранителя.
Предохранители типа ПД. Пробочные предохранители типа ПД предназначены для защиты элементов судовых электрических установок и выпускаются на номинальные токи плавких вставок от 6 до 600 а, при номинальном напряжении постоянного тока 250 в и переменного тока 380 в, при включении предохранителей в каждый полюс цепи постоянного тока и в каждую фазу цепи переменного тока.

Плавкие вставки предохранителей типа ПД представляют собой серебряные проволоки, которые в количестве одной шли нескольких штук, в зависимости от силы номинального тока предохранителя, размещаются внутри фарфорового цилиндра. Фарфоровый цилиндр с обеих сторон имеет латунные контакты, к которым и припаяны серебряные проволоки. Внутреннее пространство цилиндра заполнено кварцевым наполнителем.
Кроме серебряных проволок, внутри фарфорового цилиндра располагается константановая проволока; одним своим концом она припаивается к нижнему контакту. Второй конец проволоки пропущен через отверстие во втором верхнем контакте и припаян к металлическому контрольному глазку, расположенному в наружном углублении верхнего контакта. Фарфоровый цилиндр вставляется в фарфоровую головку, имеющую латунную нарезную часть. Фарфоровая головка нарезной латунной частью ввинчивается в латунный корпус, благодаря чему контакты фарфорового цилиндра зажимаются между наружным боковым контактом, связанным с корпусом и внутренним центральным изолированным контактом. Корпус предохранителя и внутренний контакт соединяются с подводящими проводами защищаемой предохранителем цепи.
При перегрузках и коротких замыканиях перегорают серебряные проволоки, а потом шунтирующая их контрольная константановая проволока. Возникающая при этом электрическая дуга горит в узком канале, образованном плавкой вставкой в кварцевом наполнителе, способствующем быстрому гашению дуги. Контрольный глазок после перегорания константановой проволоки отпадает. Положение глазка можно видеть через защитное стекло, расположенное в центральной части фарфоровой головки предохранителя.
При срабатываний предохранителя этого типа его необходимо перезарядить. При перезарядке предохранителя типа ПД заменяется фарфоровый цилиндр.
Для предотвращения установки в предохранителе плавких вставок на номинальные токи, не соответствующие принятым для данного предохранителя, они снабжаются контрольными устройствами.
В предохранителях до 60 А роль контрольного устройства выполняет фарфоровое кольцо, внутренний диаметр которого соответствует диаметру нижнего контакта сменного фарфорового цилиндра на соответствующий номинальный ток.
Внутренний диаметр фарфорового кольца увеличивается с увеличением номинального тока предохранителя. Благодаря этому исключается возможность установки в предохранителе плавкой вставки на большую величину тока, чем та, которой соответствует размер фарфорового кольца. В предохранителях на значения номинальных токов, больших 60 а, в качестве контрольного устройства служит центральный контакт, имеющий отверстие в средней своей части, соответствующее по величине диаметру контрольного штифта нижнего контакта фарфорового цилиндра на ту или иную величину номинального тока цилиндра предохранителя.
Для предотвращения самоотвинчивания головки в условиях вибрации и тряски резьба головки имеет насечку.
На рис. 35 показано устройство предохранителя ПД в сборе.
На рис. 36 приведены ампер-секундные характеристики предохранителей типа ПД на 60, 125 и 225 а, полученные при срабатывании из холодного состояния (35° С).

Таблица 25
Номинальные данные предохранителей типа ПД

Примечания.

1. Данные разрывной способности при коротких замыканиях и перегрузках указаны для двухполюсной защиты сети.
2. Номинальное напряжение предохранителей для постоянного тока 350 в, для переменного тока 380 в.

Рис. 35. Устройство предохранителя типа ПД

Рис. 36. Ампер-секундные характеристики предохранителей типа ПД на 60 А (1), 125 а (2) и 225 а (3)

На рис. 37 и 38 приведены сравнительные ампер-секундные характеристики предохранителей ПД и ПР, полученные из горячего состояния, при начальной температуре плавких вставок, соответствующей номинальной нагрузке предохранителей.

Рис. 38. Сравнительные ампер- секундные характеристики предохранителей типа ПР и ПД на 225 а
Рис. 37. Сравнительные ампер- секундные характеристики предохранителей типа ПР и ПД на 6 а
Как видно из последних кривых, предохранители типа ПД при малых перегрузках имеют большее по сравнению с предохранителями типа ПР, а при больших перегрузках меньшее время срабатывания. Это с точки зрения быстроты отключения токов короткого замыкания делает их еще более ценными аппаратами защиты.
Основные технические данные предохранителей типа ПД приведены в табл. 25.
Предохранители типа ПД в отношении селективности действия ведут себя так же, как и предохранители типа ПР.

Кроме предохранителей, предназначенных для защиты электрических установок с напряжением 110 В и выше, отечественной промышленностью выпускаются предохранители типа ПВ на напряжения до 30 в, предназначенные для защиты элементов судовых электрических установок при перегрузках и коротких замыканиях. Предохранители этого типа выпускаются в нормальном и специальном исполнениях.
Предохранители типа ПВ в нормальном исполнении представляют стеклянную трубку, на концах которой укреплены колпачки. К колпачкам изнутри припаяна плавкая вставка. Колпачки предохранителя снабжены ножевыми контактами.
Основные данные предохранителей типа ПВ приведены в табл. 26.

Таблица 26
Зависимость длительности нахождения под током плавких предохранителей типа ПВ от нагрузки

Специальные предохранители типа ПВ отличаются от предохранителей нормального исполнения тем, что вместо стеклянной трубки у них применяется пластинка из изолирующего материала, на концах которой закреплены ножевые контакты, между которыми припаяна серебряная плавкая вставка. Предохранители типа ПВ в нормальном исполнении изготовляются на номинальные токи плавких вставок от 2 до 50 а, в специальном исполнении на номинальные токи от 60 до 100 а.

Автоматические воздушные выключатели на судах находят себе все более широкое применение в качестве аппаратов защиты.
Автоматические воздушные выключатели применяются для защиты элементов электроэнергетических установок при перегрузках и коротких замыканиях, при обратном токе или обратной мощности, поступающих к генераторам.

Принцип действия автоматических воздушных выключателей основан на том, что в цепь электрического тока, которая защищается выключателем, последовательно вводятся контакты, замыкаемые или размыкаемые вручную, рассчитанные на номинальный ток защищаемой цепи.
При возникновении того или иного из указанных выше аварийных режимов контакты автоматического воздушного выключателя размыкаются от воздействия на них через промежуточные звенья электромагнитных или тепловых расцепителей (реле). Для облегчения гашения электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, уменьшения износа контактов, защиты от ее воздействия элементов распределительных устройств и обслуживающего персонала, выключатели обычно имеют дугогасящие камеры и зачастую дополнительные контакты.
Повторное включение аппаратов осуществляется вручную непосредственно воздействием на соответствующие элементы автомата или дистанционно, через промежуточный электромагнитный привод.
Отключение выключателя также может быть произведено вручную.

Достоинствами воздушных автоматических выключателей являются:

1. Большая разрывная способность этих аппаратов по сравнению с плавкими предохранителями.
2. Возможность совмещения в одном аппарате функций защиты и коммутации цепи, что приводит к уменьшению габаритов распределительных устройств.
3. Малое время, необходимое для повторного включения аппарата (за исключением выключателей с тепловыми расцепителями) после его срабатывания, значительно меньшее, чем при применении плавких предохранителей.
4. Лучшая защита электрических установок при малых перегрузках по сравнению с предохранителями.
5. Невозможность отключения одной фазы и работы трехфазных асинхронных электродвигателей на двух других фазах.
6. Большое быстродействие выключателей некоторых типов.

 7.  Возможность селективной защиты электроэнергетических установок, в особенности установок постоянного тока.

К числу недостатков автоматических воздушных выключателей следует отнести:

1. Большую сложность их по сравнению с плавкими предохранителями.
2. Большую стоимость.
3. Не всегда достаточную разрывную способность, при защите мощных электроэнергетических установок.
4. Большие интервалы времени срабатывания между смежными аппаратами, необходимые для обеспечения селективности действия, что иногда препятствует осуществлению селективной защиты электроэнергетических установок переменного тока.

Основными элементами автоматических воздушных выключателей являются контактная система, дугогасящее устройство, механизм свободного расцепления и автоматическое отключающее устройство.

Рис. 39. Дугогасящее устройство автоматических воздушных выключателей: а) включенное положение; б) отключенное положение

Контактная система автоматических выключателей состоит из главных, рабочих контактов, предназначенных для осуществления коммутации в электрической цепи, в которую аппарат включен. Через главные контакты проходит почти весь ток нагрузки электрической цепи при включенном состоянии аппарата.
Кроме главных контактов, выключатели обычно имеют предварительные и дугогасящие контакты. Предварительные контакты предназначены для защиты главных контактов при замыкании и размыкании цепи от подгорания. Они включены параллельно главным и замыкают цепь главного тока до замыкания ее главными контактами, а размыкают после размыкания главных контактов. Дугогасящие контакты автоматических воздушных выключателей также включены параллельно главным и предварительным контактам и производят разрыв электрической дуги размыкаясь позже предварительных контактов и таким образом защищают главные и предварительные контакты от воздействия электрической дуги.
В установочных автоматических воздушных выключателях предварительные контакты не применяются. Дугогасящие контакты у этих аппаратов применяются только у некоторых величин.

Рис. 40. Механизм свободного расцепления: а) после автоматического отключения; б) в положении, предшествующем включению; в) во включенном положении

Дугогасящее устройство автоматических воздушных выключателей, предназначенных для судовых электрических установок, выполняется обычно с деионными решетками (рис. 39). Оно представляет собой камеру из изолирующего материала, внутри которой расположены стальные пластины с антикоррозионным покрытием.
При срабатывании выключателя электрическая дуга, возникающая между дугогасящими контактами, воздействием электродинамических усилий поднимается кверху, втягивается в деионную камеру и металлическими стальными пластинами деионной решетки разбивается на ряд коротких дуг. В таких условиях электрическая дуга быстро гаснет.
Механизм свободного расцепления, состоящий из ряда ломающихся рычагов, предназначен для автоматического отключения выключателя под воздействием расцепителей. Механизм свободного расцепления обеспечивает срабатывание аппарата даже тогда, когда последний удерживается во включенном положении рукояткой.
Принцип действия этого элемента автоматического выключателя может быть уяснен из рис. 40, на котором приведена принципиальная кинематическая схема простейшего механизма свободного расцепления в разные моменты его действия. Как видно из этого рисунка, при включенном положении автоматического выключателя сила упора, передаваемого от рукоятки аппарата к контактной системе, обеспечивается тем, что спрямленная система рычагов находится ниже прямой, соединяющей шарниры. При срабатывании электромагнитного расцепителя его якорь ударяет по рычагам, последние ломаются, и под действием отключающих пружин, не показанных на рисунке, контакты выключателя размыкаются (рис. 40,а).
Для повторного включения аппарата рукоятку его необходимо переместить в положение, соответствующее рис. 40,б, для того чтобы рычаги механизма свободного расцепления опустились.

После этого рукоятка переводится в положение, соответствующее рис. 40,в. При ручном отключении выключателя скорость размыкания контактов не зависит от скорости перемещения рукоятки аппарата, так как механизм свободного расцепления вместе с отключающими пружинами обеспечивают быстрое расхождение контактов.
Отключающие устройства автоматических воздушных выключателей представляют собой реле той или иной конструкции. В судовых выключателях, в зависимости от их назначения, применяются реле различных типов: электромагнитные токовые, электромагнитные и механические реле времени, тепловые токовые реле, реле напряжения, отключающие электромагнитные реле.
Каждое из них, непосредственно или посредством промежуточных реле, воздействует на расцепляющий механизм аппарата и производит отключение выключателя при том или ином нарушении нормального режима работы установки.
Обычно реле устанавливаются в двух или трех полюсах аппарата.
Установочные автоматические воздушные выключатели в последние годы нашли себе широкое применение в судовых электрических установках постоянного и переменного тока благодаря ряду ценных качеств, которыми они обладают.

Рис. 41. Разрез установочного автоматического воздушного выключателя

На рис. 41 представлен разрез выключателя типа А3100 на номинальную величину тока 200 а.
Выключатель представляет собой пластмассовый корпус, внутри которого расположены все его элементы. Наружу выведена пластмассовая рукоятка аппарата, а в аппаратах типа А3100 и стопорное устройство, превращающее автоматический воздушный выключатель в простой неавтоматический выключатель.
Установочные воздушные выключатели изготовляются в двухполюсном и трехполюсном исполнении, одинакового габарита. В двухполюсных выключателях отсутствуют расцепители в среднем полюсе.
Установочные выключатели имеют главные контакты, изготовленные из металлокерамики высокой износоустойчивости и дугогасящие контакты.
Для гашения электрической дуги применяются деионные камеры с фибровыми стенками.
Выключатели имеют сменные тепловые и электромагнитные расцепители на каждом полюсе. Уставки расцепителей калибруются на заводе и не предусматривают изменений в условиях эксплуатации.
Основные технические показатели установочных автоматических воздушных выключателей приведены в табл. 27, 28, 29, 30 и 31.
Благодаря наличию у установочных автоматических воздушных выключателей двух расцепителей — теплового и электромагнитного, работающих независимо друг от друга, ампер- секундная характеристика их имеет вид, представленный на рис. 42.
Тепловой расцепитель имеет обратно зависимую от тока характеристику. При наличии у аппарата только этого расцепителя, он имел бы ампер-секундную характеристику, соответствующую кривой абв.
Электромагнитный расцепитель имеет характеристику, практически от тока не зависящую. При наличии у аппарата только этого расцепителя, он имел бы ампер-секундную характеристику, соответствующую ломаной прямой а'б'в'.
При наличии обоих расцепителей установочный автоматический воздушный выключатель имеет характеристику, соответствующую абб'в'.
При токах нагрузки меньших тока Iб, работает только тепловой расцепитель, так как уставка электромагнитного расцепителя Iу>Iб.
При токах нагрузки больших Iб работает только электромагнитный расцепитель, так как тепловой расцепитель имеет при этих токах большее время срабатывания.

Предельная разрывная способность установочных автоматов серии А3100 постоянного тока

Примечания. 1. Коммутационные циклы: О — автомат отключает ток, будучи предварительно замкнут оператором без тока; ВО — автомат включает и автоматически отключает ток.

1. Коммутационные циклы О и ВО допустимы при условии, что после каждого короткого замыкания автомат будет осмотрен и подвергнут чистке в соответствии с монтажными указаниями.
2. Полное время отключения автоматов серии А3100 при циклах О и ВО.

Таблица 30
Технические характеристики установочных автоматов серии А3200 переменного тока напряжением до 500 в, 50 Гц.

Примечания. 1. Ток срабатывания электромагнитного расцепителя может отличаться от номинального тока уставки: ±15%—при вертикальном положении автомата и при кренах до 45°; ±30%— после отключения предельно допустимых токов короткого замыкания.
2. Сечения подводящих шин для автоматов четвертой величины:                                        
 Длительный ток нагрузки, а: 
 400—450     Сечение медных шин, мм: 40χ3                                                  
 450—500        40χ4
500—550         40χ6
550—600          50χ6                                         

Таблица 31
Предельная разрывная способность установочных автоматов серии А-3200 переменного тока

Продолжение

Примечания. 1. Под напряжением переменного тока понимается действующее значение синусоидального напряжения.
2. В цикле О-ВО-ВО включение производится с интервалом в 1 мин.; интервалы между циклом не нарушаются.

Рис. 42. Ампер-секундная характеристика установочного автоматического воздушного выключателя

Рис. 43. Процесс отключения короткого замыкания установочным автоматическим воздушным выключателем

При работе электромагнитного расцепителя (участок б'в' характеристики) полное время срабатывания аппарата мало. По экспериментальным данным оно составляет величину порядка 0,01—0,02 секунды. Столь малое время срабатывания автоматического выключателя является исключительно ценным его качеством. При таких временах отключения аппаратом поврежденных участков электроэнергетической установки гарантируется невозможность нарушения нормальной работы другой, неповрежденной ее части. В частности, в установках переменного тока исключается возможность произвольного отключения электроприводов, имеющих контакторную аппаратуру управления и регулирования даже при глубоких провалах напряжения в сети, вызванных короткими замыканиями вследствие малого промежутка времени этих провалов при быстром отключении установочным выключателем поврежденного участка сети.
Однако большая скорость срабатывания установочных автоматических выключателей, примерно одинаковая для аппаратов этого типа всех величин, ограничивает селективность их работы.
На рис. 43 процесс отключения короткого замыкания установочным автоматом разбит на четыре участка, четыре промежутка
времени. Промежуток времени t1 соответствует нарастанию тока в цепи короткого замыкания от начального значения до значения, соответствующего току уставки электромагнитного расцепителя I. До этого момента электромагнитный расцепитель не работает.
При достижении током значения, равного току уставки электромагнитного расцепителя, якорь последнего начинает перемещаться и в конце промежутка времени t2 ударяет по расцепляющему механизму аппарата. Расцепляющий механизм срабатывает, и контакты аппарата начинают расходиться. Время срабатывания расцепляющего механизма, до начала расхождения контактов и появления электрической дуги, соответствует t3. Наконец, промежуток времени соответствует гашению электрической дуги. Сумма времен t1 + t2 + t3 + t4 = t представляет собою полное время от начала возникновения короткого замыкания до момента его отключения.
Если за время t1 + t2 ток короткого замыкания будет отключен другим аппаратом, то автоматический воздушный выключатель не сработает, так как якорь его, не дойдя до расцепляющего механизма, вернется обратно. Если время отключения короткого замыкания другим аппаратом будет больше времени t1 + t2, то сработает и этот аппарат.
У установочных автоматических воздушных выключателей время t2 составляет величину очень малую, в 5—10 раз меньшую времени t. Поэтому при последовательном включении двух выключателей на разные номинальные величины тока, при токах короткого замыкания сработают оба аппарата, так как время t1 + t2 большего аппарата будет меньше времени t меньшего аппарата.
Селективность действия двух установочных автоматических воздушных выключателей возможна лишь в пределах уставок их электромагнитных расцепителей. На рис. 44 приведены характеристики трех включенных последовательно в одну цепь аппаратов на номинальные токи электромагнитных расцепителей: 20, 100 и 600 а.
Как видно из рисунка, эти аппараты при прохождении через них тока короткого замыкания одной величины будут работать между собою селективно:

1. Выключатели на 20 А и на 100 А до тока короткого замыкания 700 а.
2. Выключатели на 100 А и на 600 А до тока короткого замыкания 6300 а.

Выше тока короткого замыкания 700 а, например при 2000 а, сработают выключатели на 20 и 100 а, а выше тока короткого замыкания 6300 а, например при токе 6500 А сработают все три аппарата. Это является недостатком установочных выключателей.  Однако более существенным все же является их положительное качество — быстрота отключения поврежденных участков сети.

Рис. 44. Ампер-секундные характеристики установочных автоматических воздушных выключателей на 20 А (1), 100 А (2) и 600 А (3)

Рис. 45. Ампер-секундные характеристики установочного автоматического воздушного выключателя на 600 А (3), предохранителей типа ПР на 200 А (2) и на 60 А (1)

 Точно так же установочные автоматические выключатели имеют ограниченную селективность работы с предохранителями. На рис. 45 приведены ампер-секундные характеристики установочного автоматического выключателя на 600 А и двух предохранителей типа ПР на 60 и 200 а. Как видно из этого рисунка, предохранитель на 60 А работает с установочным автоматическим воздушным выключателем на 600 А селективно, в пределах разрывной способности предохранителя (5000 а), так как электромагнитный расцепитель выключателя, ампер-секундная характеристика которого приведена на этом рисунке, имеет уставку на 6300 а. Предохранитель на 200 А работает с автоматическим воздушным выключателем селективно лишь до тока уставки электромагнитного расцепителя (6300 а) последнего. При больших токах, до предельной величины разрывной способности предохранителя (10 000 а), возможно срабатывание обоих аппаратов защиты.
Установочные автоматические воздушные выключатели, по сравнению с плавкими предохранителями, обеспечивают лучшую защиту элементов электроэнергетических установок при малых перегрузках. Установочные автоматы производят отключение при перегрузке на 35% сверх номинальной в течение времени меньшего одного часа (при тепловых расцепителях с малой выдержкой времени), в то время как предохранители типа ПР осуществляют за это же время отключение перегрузки от 2,1 для малых величин предохранителей и до 1,6 для больших величин предохранителей.
Предохранители ПД отключают перегрузку 1,35 за время не многим меньше двух часов, вместо одного часа при установочных автоматах.
Тепловые расцепители установочных автоматов, однако, обладают двумя существенными недостатками: они после срабатывания требуют большого промежутка времени для остывания, без которого невозможно повторное включение аппарата. Как видно из табл. 27, это время для малых аппаратов составляет величину порядка 2,5 мин., для больших аппаратов — порядка 15 мин. Естественно, что при применении установочных выключателей c тепловыми расцепителями для защиты ответственных элементов электроэнергетических установок судов таких как, например, фидеры рулевых устройств и т. п., такое их качество является большим недостатком.
У выключателей типа А3100 постоянного тока предусмотрена механическая защелка, лишающая автомат возможности срабатывать автоматически и превращающая автоматический выключатель в неавтоматический. Однако в этом случае фидер лишается всякой защиты при перегрузках и при коротких замыканиях.
Другим недостатком тепловых расцепителей является их относительно малая ударостойкость. Тепловые расцепители могут вызвать ложное отключение выключателя при сильных сотрясениях. В тех случаях, когда это недопустимо, также можно переводить автоматический выключатель в неавтоматический с помощью механической защелки. Однако в большинстве случаев практически целесообразней бывает отказаться от применения в установочных автоматах тепловых расцепителей, сохранив лишь электромагнитные и превратив таким образом установочный автомат в аппарат защиты при коротких замыканиях. Естественно, и этот вариант устранения недостатка тепловых расцепителей является паллиативным. В настоящее время завод, выпускающий установочные автоматы, разработал ударостойкие тепловые расцепители, которые заменят существующие.
В табл. 31 приведены данные, характеризующие разрывную способность установочных автоматов. Как видно из сопоставления этих данных с аналогичными данными плавких предохранителей типа ПР и ПД, разрывная способность автоматических выключателей в несколько раз выше, чем у предохранителей. Такая разрывная способность установочных автоматов оказывается вполне достаточной для возможности их применения на малых и средних судах и в большинстве случаев на больших судах.
Установочные автоматы обладают еще и тем ценным качеством, что при больших кратностях токов короткого замыкания ограничивают величину их. Это обязано началу расхождения контактов выключателей до того, как ток короткого замыкания успевает достигнуть своего максимального значения.