Быстродействующие выключатели (БВ) применяются для включения и отключения цепей постоянного тока под нагрузкой и автоматического отключения их при перегрузках и КЗ. Они являются одновременно коммутационными и защитными аппаратами.
В тяговых сетях постоянного тока напряжением 3 кВ при возникновении КЗ токи могут достигать 30 - 40 кА. Такие токи представляют большую опасность для сетей и оборудования термическими и динамическими воздействиями. В отличии от цепей переменного тока, где ток периодически снижается до нуля и дуга в отключающем аппарате в этот момент гаснет, в цепях постоянного тока происходит его нарастание до установившегося значения за сотые доли секунды. Отключение такого тока связано с большими трудностями. На практике отключение цепи постоянного тока осуществляют значительно раньше момента достижения током КЗ своего максимального значения. Для этого необходимы быстродействующие выключатели с максимальным током отключения от 15 до 27 кА. В зависимости от параметров отключаемой цепи такой отключающей способности БВ бывает вполне достаточно.
По принципу работы отключающего механизма быстродействующие выключатели делятся на две группы:
с пружинным отключением, отключение которых достигается за счет усилий, развиваемых мощными отключающими пружинами;
с магнито-пружинным отключением, отключение которых осуществляют как силы отключающих пружин, так и электромагнитные силы.
По способности реагировать на направление тока в цепи быстродействующие выключатели бывают:
поляризованные, автоматическое отключение которых происходит при определенном направлении тока через выключатель;
— неполяризованные, автоматическое отключение которых обуславливается только величиной тока и не зависит от его направления.
Отечественной промышленностью выпускались различные типы быстродействующих выключателей, нашедших широкое применение на тяговых подстанциях. Несмотря на то, что некоторые типы выключателей сняты с производства, в эксплуатации они продолжают находиться. Основные типы применяемых выключателей: АБ-2/4, ВАБ-28, ВАБ-43. На смену им идут выключатели типов ВАБ-49 и ВАБ-50 различных модификаций.
Выключатель АБ-2/4 (автоматический быстродействующий) на номинальный ток 2 кА и номинальное напряжение 4 кВ более 20 лет назад снят с производства, но до сих пор является довольно распространенным выключателем на электрифицированных участках постоянного тока.
Общий вид выключателя АБ-2/4 показан на рис. 1. Он крепится на четырех изоляторах 12, установленных на раме выкатной тележки 1. Магнитопровод 3 является основой электромагнитного механизма выключателя. Дугогасительная камера 4 лабиринтно-щелевого типа способна растягивать дугу до 4,5 м. Магнитное дутье в камере осуществляется сильно развитыми полюсами 7, прилегающими к камере снаружи с обеих сторон.
Рис. 1. Общий вид выключателя типа АБ-2/4
Полюса закреплены в магнитопроводе, на котором расположены с двух сторон камеры катушки магнитного дутья 8. Стенки камеры расходятся вверху, С внутренней стороны стенок камеры имеются клинообразные перемежающиеся перегородки 6, расходящиеся по радиусам. Эти перегородки образуют для электрической дуги лабиринт — зигзагообразную щель, в которой дуга растягивается. В верхней части камеры лабиринт прерван и установлены пламегасительные решетки 5 представляющие собой пакеты тонких стальных пластин, служащих для охлаждения и деионизации пламени и газов, сопровождающих дугу. Контактные выводы 9 к 11 служат для подключения БВ к шинам электрической цепи, в которую он включается. Индуктивный шунт 10 выполнен в виде пакета изолированных друг от друга стальных пластин, надетых на медную шину. Блок-контакты 2 через систему тяг и рычагов связаны с главными контактами, расположенными в нижней части дугогасительной камеры.
Электромагнитный механизм выключателя (рис. 2) крепится на литой чугунной раме 24, он имеет магнитопровод, образованный литыми брусьями 11 и 20 прямоугольного сечения, скрепленными стержнем круглого сечения 17, на который надета держащая катушка 18. На брусе 20 укреплен П-образный магнитопровод 22, набранный из изолированных друг от друга стальных пластин. На правом стержне П- образного магнитопровода размещена включающая катушка 21, на левом — размагничивающий виток главного тока 23 (катушка автоматического отключения) и дополнительная калибровочная катушка 27, которая имитирует главный виток при настройке выключателя. На верхнем брусе 11 между двумя щеками 12 закреплен на оси 30 якорь 28, набранный из изолированных стальных пластин. При повороте якоря между ним и брусом 11 остается постоянный воздушный зазор 5. На оси 3 между щеками 12 закреплен рычаг 4 подвижного контакта 2, оттягиваемый вправо отключающей пружиной 9. Этот рычаг с помощью гибкого проводника 31, выполненного из пакета медной фольги, соединен с размагничивающим витком 23. Параллельно витку 23 включен индуктивный шунт 26. Неподвижный контакт 1 соединен последовательно с катушкой магнитного дутья 32. К внешней цепи выключатель подключается контактными выводами 25 и 33.
Рис. 2. Устройство выключателя АБ-2/4 и эскизы магнитной системы БВ:
а — в начальный момент включения; б — во включенном состоянии; в —в начальный момент отключения
Держащая катушка 18 постоянно находится под током. На эскизе магнитной системы (рис. 2, а) показаны магнитные потоки держащей катушки Фдк, создаваемые током /да, и включающей катушки Фт, создаваемые током /вк в процессе включения выключателя. На эскизе показан начальный момент включения, когда якорь выключателя находится под действием усилия отключающей пружины Fnp в левом положении, но на него уже действует усилие, создаваемое включающей катушкой F . Магнитный поток Фвк намагничивает правый стержень П-образного сердечника и размагничивает левый, по которому проходит встречный поток Фдк Якорь 28 притягивается к правому стержню, преодолевая усилие пружины 9, выключатель переходит в предвключенное состояние, показанное на рис. 2 (штриховой линией показано положение подвижного контакта после включения). Пока по включающей катушке 21 протекает ток и существует магнитный поток, якорь 16 механизма свободного расцепления притягивается к скошенной части правого стержня, поворачиваясь вокруг оси 15. Якорь 16 соединен тягой 14 со стопорной скобой 6, которая упирается в ролик 5 хвостовика рычага 4 подвижного контакта 2, не давая возможности соединиться ему с неподвижным контактом 1. Только после отключения включающей катушки и исчезновения магнитного потока под действием сил пружины 9 якорь 16 "отлипает" от скошенной части стержня магнитопровода и занимает положение, показанное штриховыми линиями. Контакты 1 и 2 замыкаются, так как механизм свободного расцепления, состоящий из якоря 16, тяги 14 и стопорной скобы 6, этому не препятствует.
На рис. 2, б показан эскиз магнитной системы выключателя после отключения включающей катушки. Магнитный поток держащей катушки Фт перебрасывается вместе с якорем из левого стержня в правый, и якорь удерживается в притянутом состоянии после исчезновения потока Фвк.
Автоматическое отключение выключателя (рис. 2, в) происходит при достижении потоком Фр, создаваемым током /р размагничивающего витка главного тока, величины, необходимой для размагничивания правого стержня. Потоки Фдк и Фр в нем направлены встречно, результирующий поток Фдк — Фр снижается по мере нарастания тока /р. В то же время левый стержень намагничивается потоком Ф , притягивая к себе якорь. При некотором значении тока /р якорь перебрасывается влево. Это происходит при совместном действии сил магнитного притяжения и отключающей пружины, что характерно для выключателей с магнитно-пружинным отключением.
Калибровочная катушка 27,.действие потока которой аналогично действию потока Ф витка главного тока, применяется при регулировке уставки выключателя. Так как она имеет большое число витков, то для создания необходимого для отключения выключателя магнитного потока с помощью калибровочной катушки нужен сравнительно с витком главного тока небольшой ток. Уставку выключателя регулируют винтом 29, при опускании которого уменьшается зазор между левым стержнем и верхним брусом 11. Уменьшение воздушного зазора и, следовательно, магнитного сопротивления для потока Ф приводит к увеличению последнего при том же токе /р. Таким образом, необходимый для отключения выключателя магнитный поток можно получить при меньшем токе за счет уменьшения регулируемого зазора. Для увеличения тока уставки регулировочный винт необходимо перемещать вверх, вворачивая его в брус 11.
Индуктивный шунт 26 включен параллельно витку 23 главного тока, поэтому происходит распределение тока выключателя по двум параллельным ветвям: индуктивный шунт и виток главного тока. При нормальном режиме работы цепи индуктивность шунта не влияет на распределение токов по ветвям. Когда возникает КЗ в защищаемой цепи, резкое возрастание тока приводит к увеличению сопротивления индуктивного шунта за счет индуктивности, вследствие чего большая часть тока КЗ протекает через виток главного тока. Резкое возрастание тока в витке, благодаря влиянию шунта, ускоряет процесс отключения. При одной величине токов нормального режима и КЗ в индуктивный шунт ответвляются разные токи. При КЗ для отключения нужен меньший ток, чем при нормальном режиме, то есть индуктивный шунт автоматически снижает уставку выключателя при быстром нарастании тока в цепи.
Блок-контакты 19 выключателя приводятся в действие с помощью тяги 7, соединяющей ось 3 с рычагом 8, связанным с блок-кон- тактами изолирующей тягой 10. Пружина 13 обеспечивает необходимое нажатие в контактах и амортизацию при переключениях. Блок-контакты используются в схемах управления, сигнализации и автоматики.
Принципиальная схема управления выключателем АБ-2/4 приведена на рис. 3.
К схеме дистанционного управления выключателем АБ-2/4 предъявляются два основные требования: обеспечение необходимой длительности импульса тока во включающей катушке и исключение многократного включения на короткое замыкание.
Автоматический выключатель QF включается последовательно с разъединителями QSX (шинный) и QS2 (линейный) в линию, питающую тяговую сеть от шины 3,3 кВ. Включение выключателя QF осуществляется путем нажатия кнопки включения SBC в цепи 3-4. Катушка контактора КМ получает питание и своим контактом замыкает цепь 1-2, по которой через включающую катушку У А С протекает ток в несколько десятков ампер. Выключатель QF переходит в предвключенное состояние, показанное на рис. 2. Его блок-контакты QFX (цепь 3-4), QF2 (цепь 7-8) и QF3 (цепь 9-10) переключаются. Контакт QF3 размыкает цепь зеленой лампы HLG, а контакт QF2 замыкает цепь красной лампы HL R, сигнализирующей включение выключателя. Контакт QFX шунтирует катушку КМ, контактор отключается и размыкает цепь 1-2 катушки YA С. Последняя теряет питание и механизм свободного расцепления выключателя разрешает ему замкнуть цепь питающей линии 3,3 кВ. Катушка YA С рассчитана на кратковременное протекание по ней большого тока, поэтому сразу после включения QF она отключается, хотя кнопка SBC остается нажатой. Таким образом, обеспечивается необходимая длительность включающего импульса.
Рис. 3. Принципиальная схема управления выключателем АБ-2/4
Если при включении выключателя QF в питающей линии возникает ток КЗ, то QF автоматически отключается и не должен включаться повторно. В схеме предусмотрена блокировка выключателя от многократных повторных включений его при нажатой кнопке SBC с помощью реле блокировки KBS. После шунтировки катушки КМ блок-контактом QFX напряжение цепи полностью прикладывается к катушке реле KBS, которое сработав, дополнительно шунтирует катушку контактора КМ своим контактом KBS. При автоматическом отключении QF и размыкании QF{ катушка контактора КМ при замкнутом контакте SBC не получит питание, так как реле KBS, оставаясь под током, продолжает шунтировать катушку КМ, запрещая повторное включение выключателя.
При необходимости включить выключатель второй раз необходимо опустить кнопку SBC, ее контакт разомкнет цепь 3-4, реле КВ& потеряет питание, разомкнет свой контакт. После этого при нажатии кнопки SBC начинается процесс следующего включения выключателя.
Оперативное отключение выключателя осуществляется нажатием кнопки цепи 5-6. Держащая катушка YAT обесточивается, магнитный поток Фдк (рис. 2) снижается до нуля, выключатель отключается под действием усилия отключающих пружин. Держащая катушка, намотанная тонким проводом большой длины, имеет значительную индуктивность. При отключении в ней наводится значительная э.д.с., которая может привести к пробою изоляции между витками. Во избежание этого параллельно катушке YA Т включается разрядный резистор 7?,, через который протекает ток под действием э.д.с. Диод VD запрещает протекание тока через резистор в рабочем режиме, не мешая протеканию через него разрядного тока при размыкании цепи держащей катушки. Резистор R2 используется для регулировки тока в цепи держащей катушки. Так как от этого тока зависит магнитный поток, удерживающий выключатель во включенном положении, а величина магнитного потока определяет ток уставки срабатывания выключателя, то ток держащей катушки должен быть тщательно отрегулирован и в процессе эксплуатации выключателя не должен изменяться. Чтобы сопротивление держащей катушки не менялось, она все время находится под током, даже при отключенном выключателе. Протекающий по катушке ток поддерживает ее температуру, а, следовательно, и сопротивление.
