2.2. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ТИПОВ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВОЗДУШНЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
- Назначение и принцип действия автоматических выключателей
Автоматические воздушные выключатели (автоматы) предназначены для отключения защищаемых ими электрических цепей от токов к. з. и перегрузок. Кроме того, их можно использовать для нечастых включений и отключений токов нагрузки. Автоматы должны сколь угодно длительно выдерживать ток нагрузки во включенном положении и быть в состоянии многократно отключать токи к. з. Для предотвращения опасных последствий от токов к. з. и перегрузок время срабатывания автомата по возможности должно быть минимальным.
Рис. 2. 6. Принципиальная схема работы автоматического выключателя.
Автоматы, как и предохранители, включаются последовательно с защищаемой электрической цепью, то есть в рассечку ее. На рисунке 2.6 показана принципиальная схема максимальных автоматов, широко используемых для защиты сетей напряжением 380/220 В. При переводе рукоятки автомата в положение «включено» взводятся его пружины 2 и 6 и механизм свободного расцепления. Этот механизм состоит из рычагов и тяг, имеет довольно сложное устройство и на рисунке 2.6 показан условно. Благодаря усилию Fn, создаваемому пружиной 2, автомат удерживается во включенном состоянии защелкой 1. Ток защищаемой электрической цепи, протекая по обмотке электромагнита 4, создает усилие Fa, которое стремится притянуть якорь 3 к электромагниту. Если ток в обмотке электромагнита достигнет значения, при котором усилие Fa станет больше силы Fn, то якорь 3, притянувшись к электромагниту, провернет защелку и освободит рычаг 5. Под действием пружины 6 произойдет размыкание контактов 7.
Устройство, воздействующее на защелку автомата (на рис. 2.6 — это электромагнит 4), называется расцепителем. По принципу действия или способу выявления аварийной ситуации, при которой автомат должен быть отключен, различают расцепители электромагнитные, тепловые, нулевые, независимые, минимального напряжения, полупроводниковые и др. В зависимости от исполнения автомат может быть укомплектован одним или несколькими типами расцепителей.
Электромагнитные расцепители используют для быстрого, почти мгновенного отключения автоматов при появлении больших токов в защищаемой цепи. На заводе- изготовителе их настраивают на определенный ток срабатывания, который в условиях эксплуатации регулированию не подлежит.
Для выполнения защиты от перегрузки используют чаще всего тепловые расцепители. Основным элементом теплового расцепителя является биметаллическая пластина, изготовленная из пластинок двух металлов, имеющих разные температурные коэффициенты расширения. Сваркой или горячим прокатом пластины жестко скреплены друг с другом. При нагревании биметаллическая пластина изгибается. Если при этом один конец пластины будет закреплен, то второй, свободный, перемещаясь при изгибе пластины, способен развивать некоторую силу. Это явление используется в автоматах для воздействия на механизм свободного расцепления. Изгиб биметаллической пластины от нагревания ее током используется и в тепловых реле, встраиваемых в магнитные пускатели для защиты электродвигателей от перегрузки, только в тепловых реле свободный конец пластины воздействует на контактную систему. Нагрев пластины происходит или за счет теплоты, выделяемой пропускаемым по ней током нагрузки, или от специального нагревателя, по которому протекает ток, или, наконец, за счет комбинации обоих способов нагрева.
Зависимость времени срабатывания теплового расцепителя от протекающего тока имеет примерно такой же вид, как и для предохранителей (рис. 2.1). Номинальный ток теплового расцепителя Iн. т может протекать по защищаемой цепи и расцепителю сколь угодно долго, не приводя к его срабатыванию. Расцепитель срабатывает притоке Iср. т = (1,2...1,35) Iн. т и при токах, больших Iср. т. На время срабатывания тепловых расцепителей гораздо в большей степени, чем предохранителей, оказывают влияние побочные факторы, главным образом температура окружающей среды. Поэтому для правильной работы защиты от перегрузки тепловые расцепители или тепловые реле (то есть автоматы или магнитные пускатели) желательно располагать в том же помещении, где находится защищаемый объект. По этой же причине автоматы и магнитные пускатели с тепловой защитой нельзя размещать вблизи источников тепла.
Следует отметить, что температура окружающей среды оказывает влияние не только на время, но и на ток срабатывания. Из-за этого разброс в токе срабатывания тепловых расцепителей в два раза больше, чем электромагнитных. В соответствии с принципом работы расцепители с биметаллической пластинкой имеют довольно большую тепловую инерционность, что не позволяет им обеспечивать своевременное, то есть достаточно быстрое, отключение токов к. з. В связи с этим тепловые расцепители в автоматах чаще всего используются совместно с электромагнитными. Первые осуществляют защиту от перегрузки, вторые — от токов к. з.
Некоторые исполнения автоматов, кроме электромагнитных и тепловых, содержат независимый расцепитель или расцепитель минимального напряжения. Независимый электромагнитный расцепитель предназначается для дистанционного отключения автомата. Обмотку такого расцепителя обычно изготавливают на номинальное напряжение 220 В переменного тока и не рассчитывают на длительный режим включения. Расцепитель минимального напряжения, или, как его просто называют, минимальный расцепитель, является также электромагнитным и должен отключать автомат при исчезновении электропитания или при снижении напряжения ниже напряжения срабатывания. Автоматы с таким расцепителем часто применяют для предотвращения самозапуска электродвигателей, если такой самозапуск недопустим по каким-либо соображениям, например по условиям одновременного успешного запуска асинхронных двигателей. Кроме того, минимальные расцепители предотвращают работу электродвигателей при недопустимо глубоких снижениях напряжения, когда электродвигатели, развивая недостаточный вращающий момент, могут «опрокинуться», то есть затормозиться и оказаться в аварийном для них режиме. При необходимости минимальный расцепитель можно использовать и как независимый — для дистанционного отключения автомата.
Имеются исполнения автоматических выключателей с электромагнитным расцепителем, включаемым в нулевой провод. Такой расцепитель обычно имеет меньший ток срабатывания, чем расцепители в фазных проводах. Это облегчает выполнение защиты от однофазных к. з. и очень важно для сельских сетей напряжением 380/220 В.
Наибольшее распространение в сельских сетях 380/220 В нашли автоматы серий АП50Б, АЕ20, А3700. В эксплуатации еще находится довольно большое число автоматов серии АЗ 100, снятой с производства и в новых разработках не применяемой.