Глава XVII
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ
§ 17. 1. Назначение и требования, предъявляемые к автоматическим выключателям
Автоматическим выключателем называется аппарат, производящий автоматическое отключение (значительно реже включение) электрической цепи, если какой-либо из контролируемых параметров этой цепи достигает значения, опасного для нормальной работы; следовательно, основное назначение автоматических выключателей, или сокращенно автоматов, — защита электрической цепи или установки от аварийных режимов. Очень часто автоматические выключатели снабжаются блок-контактами, которые в отдельных случаях осуществляют правильную работу автомата и связывают автомат с остальными аппаратами электрической схемы, а при автоматическом срабатывании включают цепи светового или звукового сигнала. Наиболее широкое распространение нашли автоматы максимального тока.
Исходя из назначения автомата, определяются и требования к* нему. Это, прежде всего, очень высокая надежность, выражающаяся в том, что автомат должен выключить любой возможный в данной цепи аварийный режим. В связи с таким требованием в автоматах максимального тока ставятся мощные дугогасительные устройства, так как нередко установившееся значение тока короткого замыкания достигает десятков тысяч ампер. К автоматам, защищающим электрическую цепь от токов короткого замыкания, обычно предъявляется требование о быстродействии. Если время, необходимое для отключения электрической цепи автоматом, меньше времени, за которое ток короткого замыкания достигает своего установившегося значения, то защищаемая цепь не подвергается действию установившегося значения тока короткого замыкания, т. е. как бы увеличивается термическая и электродинамическая устойчивости защищаемой цепи и уменьшаются последствия аварии. С другой стороны, дугу с меньшим значением тока, образовавшуюся в дугогасительном устройстве автомата, легче погасить, следовательно, и надежность самого автомата повышается. Ограничение нарастания тока короткого замыкания обычно происходит в момент появления дуги между контактами, т. е. в момент начала расхождения контактов, поэтому собственное время автомата является очень важным параметром, характеризующим его защитные свойства.
Поскольку автоматы предназначены для защиты электрических цепей и установок от аварийных режимов, то экономические показатели конструкции автоматов играют второстепенную роль. Ни в коем случае нельзя улучшать экономические показатели автомата за счет снижения его надежности; в автоматических выключателях это требование является более категоричным, чем других типах электрических аппаратов. Лишь один отказ автомата на единственной установке в аварийной ситуации может принести убыток, в сотни и тысячи раз превышающий стоимость самого дорогостоящего автомата (необходимо учитывать, что мощные дорогостоящие автоматы обычно ставятся для защиты сложных мощных установок).
§ 17. 2. Конструкция автомата и ее особенности
Конструкция автоматического выключателя может быть поделена на четыре основных функциональных узла: 1) чувствительный орган, или расцепитель; 2) механизм выключателя; 3) контактный узел с дугогасительным устройством; 4) привод выключателя.
Рис. 17.1. Основные функциональные узлы автомата
Эти функциональные узлы могут быть и конструктивными законченными узлами (как, например, расцепители в нормальных автоматах), а могут и конструктивно представлять одно целое (как, например, чувствительный орган и механизм в быстродействующих автоматах).
Схема взаимодействия функциональных узлов автомата показана на рис. 17.1. Блок-контакты автомата могут быть связаны как с положением главных контактов автомата, так и с положением привода, поскольку положение привода может и не соответствовать положению главных контактов, если автомат имеет механизм свободного расцепления. Чувствительный орган автомата воспринимает сигнал контролируемой величины и производит ее сравнение с заданной величиной, т. е. является основным элементам защиты. Если величина сигнала превышает заданную величину, то происходит срабатывание чувствительного органа и передается воздействие на механизм выключателя, а иногда, для увеличения быстродействия автомата, непосредственно на главные контакты.
Чувствительный орган, который при срабатывании освобождает механизм выключателя и выполняется в виде отдельного узла, часто называют расцепителем. Автомат может иметь несколько чувствительных органов, или расцепителей, реагирующих на различные сигналы или отрегулированных на различные величины сигнала срабатывания.
Контактный узел автомата — это прежде всего главные контакты, осуществляющие отключение защищаемой цепи. В автоматах, разрывающих большие мощности, контактный узел часто выполняется из главных и параллельно им включенных дугогасительных контактов, которые осуществляют гашение возникающей дуги, а иногда имеет еще и третью ступень — промежуточные контакты.
Поскольку частота работы контактов очень мала, то на них нередко применяются напайки из серебра или серебряной металлокерамики; притирание сводится к минимальной величине, а на быстродействующих выключателях часто отсутствует совсем. Конструкция дугогасительной системы выполняется очень мощной, довольно часто применяются дополнительные катушки электромагнитного дутья, включаемые в процессе гашения дуги. Широкое применение находит деионное гашение дуги (см. гл. VII).
Основные требования, предъявляемые к контактному узлу и дугогасительному устройству, — это высокая надежность, высокая термическая и электродинамическая устойчивость контактов, высокая разрывная способность дугогасительного устройства. Расчет контактов производится согласно положениям, изложенным в гл. IV; при этом принимаются значительно большие запасы, чем при расчете обычных контактов. Так, можно рекомендовать для контактов автомата, особенно быстродействующего, снизить превышение температуры контактов до 40-50°С при увеличенных удельных контактных нажатиях, уменьшить напряжение материала пружин и др. При расчете длины дуги обычно берутся максимально возможные значения напряжения и тока; индукция поля гашения при применении электромагнитного дутья часто берется равной 0,4-0,8 тл. При применении деионного гашения дуги число пластин и их размеры также целесообразно брать с запасом в 10-20%.
Привод — устройство для включения и неавтоматического выключения автоматического выключателя, воздействующее на его механизм. Для автоматов небольшой мощности и невысокого напряжения привод обычно выполняется непосредственным — в виде кнопки, рукоятки, рычага и др.; для автоматов большой мощности — привод обычно дистанционный — электромагнитный, моторный, пневматический. При расчете привода, с целью обеспечения надежного включения, как и в контактной системе, целесообразно иметь увеличенный запас усилия привода. Кроме того, необходимо иметь в виду то, что конструкция привода должна обеспечивать четкую работу при малом количестве включений, с большими перерывами. При неавтоматическом выключении привод должен обеспечить быстрое отключение контактов, способствующее гашению дуги. Крайне желательно, чтобы скорость расхождения контактов не зависела от скорости движения привода и определялась бы только отключающими пружинами механизма автомата. Механизм автомата связывает между собой чувствительный орган, контактный узел и привод.
Схемы работы и принципы, используемые для построения механизма автомата, могут быть самыми различными. В состав механизма автомата могут входить как механические, так и электромагнитные и электрические элементы. Механизм автомата обычно имеет свободное расцепление — возможность отключения главных контактов при включенном положении привода или возможность отключения главных контактов в процессе включения привода. В этом случае механизм должен обеспечить невозможность самопроизвольного включения под действием остающегося включенным привода после автоматического срабатывания автомата.
Общим требованием, предъявляемым ко всем функциональным узлам автоматического выключателя, является требование малой инерционности всех частей автомата — как механических, так и электромагнитных. Выполнение этого требования обеспечивает надлежащее быстродействие, что очень важно для получения высокой надежности защиты. В связи с этим требованием электромагниты механизма автомата выполняются, как правило, быстродействующими, подвижные детали должны иметь возможно меньшие массу и моменты инерции, а отключающие пружины должны развивать значительные усилия. Однако необходимо иметь в виду, что токоведущие подвижные детали, например подвижные контакты, не могут быть очень легкими, так как с уменьшением объема материала токоведущих деталей уменьшается их теплоемкость, а следовательно, уменьшается и термическая устойчивость. С целью сохранения теплоемкости с одновременным уменьшением инерционности подвижных контактов целесообразно уменьшение массы последних компенсировать увеличением массы неподвижных контактов. Целесообразно также для подвижных деталей, где это возможно, применять легкие сплавы, как, например, дюрали, силумин.
