Конструкция автоматических выключателей

Автоматический выключатель состоит из следующих основных элементов:

1) главная контактная система (главные контакты);

2) дугогасительная система в виде дугогасительных камер и пламягасительных решеток;

3) механизм свободного расцепления;

4) расцепители;

5) устройство управления (привод) и вспомогательные контакты.

Главные контакты

Назначение:

1) обеспечивать, не перегреваясь и не окисляясь, продолжительный режим работы при номинальном токе;

2) не повреждаясь, включать и отключать токи короткого замыкания.

В простейшем случае состоят из одной пары рабочих контактов: условно неподвижного, жестко связанного с несущими конструкциями АВ, и подвижного – его перемещение приводит к размыканию электрической цепи [23, раздел 4.3]. У мощных АВ на токи более 630 А с высокой отключающей способностью применяются многоступенчатые (двух- и трёхступенчатые) контактные системы, состоящие из рабочих и дугогасительных контактов. При включении сначала включаются дугогасительные, а потом рабочие контакты. При отключении сначала отключаются рабочие, а потом дугогасительные контакты. Это исключает образование электрической дуги между рабочими контактами. Использование металлокерамики позволяет в современных электрических аппаратах на большие токи применять преимущественно двухступенчатые контактные системы, а на малые и средние токи (до 630 А) – одноступенчатые контактные системы. Разделение точек рабочего контактирования и точек дугогашения обеспечивается за счет перекатывания и проскальзывания контактов в процессе включения-отключения.

У нормальных (небыстродействующих) АВ контактные системы на средние и большие токи выполняются с компенсацией отбрасывающих усилий. Наиболее эффективным считается принцип электродинамической компенсации. Компенсирующее усилие (как и электродинамические силы, отбрасывающие контакты), растет пропорционально квадрату тока, и систему можно выполнить так, что компенсирующая сила всегда будет превосходить отбрасывающую силу. Электромагнитная компенсация с использованием ферромагнитных материалов становится неэффективной при больших токах, так как при насыщении (при токах 10-25кА) компенсирующее усилие мало возрастает с увеличением тока, в то время как отбрасывающая сила продолжает возрастать пропорционально квадрату тока. У быстродействующих АВ отбрасывающие электродинамические усилия в контактах используются для получения токоограничивающего эффекта. В этом случае еще до срабатывания расцепителя отбрасывается неподвижный контакт. Между контактами возникает электрическая дуга, обладающая определенным электрическим сопротивлением, которое ограничивает величину тока, и только затем, после того как расцепитель освободит отключающую пружину, приходит в движение подвижный контакт и главные контакты размыкаются (см. рис. 2.1).

Дугогасительная система

Назначение: обеспечивает совместно с контактной системой отключение рабочих токов и токов короткого замыкания с гашением возникающих дуг в ограниченном объёме.

Непосредственный разрыв цепи при КЗ производится в дугогасительной камере, назначение которой состоит в перераспределении пространственного положения электрической дуги, возникающей при размыкании контактов, для снижения энергии дуги. Энергия дуги значительна, до 100 кДж при температуре 20 000°С, и может вызвать эрозию контактов из-за испарения их металла. Поэтому дугу следует гасить как можно быстрее.

Задача дугогасительного устройства заключается в том, чтобы ограничить размеры дуги и обеспечить ее гашение в малом объеме. С этой целью широкое применение получили камеры с дугогасительными решетками (на переменном токе) и камеры с узкими щелями (на постоянном токе) и пламягасительные решетки [23, раздел 4.4]. Для того чтобы камера не разрушилась под воздействием высокой температуры, дуга быстро перемещается с большой скоростью под действием электромагнитных сил [23, раздел 4.1]. Дуга, являясь проводником, обладает магнитным полем, что и используется для втягивания ее в дугогасительную камеру и растягивания ее там до полного гашения.

Механизм свободного расцепления

Механизм свободного расцепления (МСР) представляет собой систему шарнирно-связанных рычагов, соединяющих привод включения подвижных контактов с отключающими и контактными пружинами.

Назначение:

1) включение автоматических выключателей посредством привода;

2) отключение автоматических выключателей пружинами после срабатывания расцепляющего устройства;

3) исключение возможности удержания контактов во включённом положении при наличии аварийного режима работы защищаемой цепи;

4) обеспечение моментного включения и отключения, т.е. не зависящего от усилий оператора, рода и массы привода, скорости расхождения контактов.

Отключающие и контактные пружины в автоматических выключателях развивают силы в десятки и сотни Ньютон. Конструкция системы рычагов расцепляющего устройства выполняется таким образом, что для расцепления (освобождения расцепляющих пружин) требуются незначительные усилия. Это позволяет иметь легкие и высокочувствительные расцепители.

Устройство управления (привод), цепи управления и вспомогательные контакты

Механизм автоматического выключателя должен обеспечить:

- очень быстрое размыкание контактов (уменьшение их эрозии);

- большое контактное давление (противодействие электродинамическому отбрасыванию контактов).

- обеспечение усилий на контактах, необходимых для оперативного включения и отключение АВ в нормальном режиме сети.

Устройство управления (привод) может быть ручным и (или) электромеханическим.

Цепи управления и вспомогательные контакты предназначены для включения и отключения АВ электромеханическим приводом.

Расцепители

Расцепитель – это элемент защиты, который контролирует заданный параметр защищаемой цепи (ток, напряжение) и при отклонении параметра от установленного значения, воздействуя на механизм свободного расцепления, запускает механизм отключения выключателя.

Расцепители тока

Расцепитель, который контролирует ток в электрической цепи, получил название - максимальный расцепитель тока (МРТ). Расцепители тока входят в состав главной цепи АВ (см. рис. 2.2). Сверхтоки обнаруживаются тремя способами:

- тепловым при перегрузках,

- электромагнитным при коротких замыканиях (КЗ),

- электронным при перегрузках и КЗ.

- МРТ формируют времятоковую (защитную) характеристику автоматического выключателя. Для защиты оборудования (кабельных линий, электродвигателей, трансформаторов и т.д.) от сверхтоков необходимо, чтобы времятоковая характеристика расцепителя находилась ниже времятоковой характеристики защищаемого объекта. Наиболее просто это получается с помощью тепловых расцепителей.

 

 

Рис. 2.2. Принципиальные схемы главной цепи выключателя: а) с комбинированным расцепителем тока; б) с электромагнитным расцепителем тока и с замедляющим устройством T (гидравлическим у АВ типа АК, с анкерным часовым механизмом у АВ типа АВМ; в) с электронным расцепителем тока; ГК – главный контакт, КК – тепловой расцепитель, КYА – электромагнитный расцепитель, БПР – блок полупроводниковых реле, YA – исполнительный электромагнит

Тепловой (термический) расцепитель состоит из биметаллической пластины, которая располагается вблизи токоведущих частей и при нагреве (при протекании сверхтока) выше определенной температуры изгибается, воздействует на защелку механизма свободного расцепления, освобождая расцепляющее устройство (МСР), которое отключает выключатель. Быстродействие биметаллической пластины прямо пропорционально значению тока. Тепловой расцепитель характеризуется тепловой инерцией и этим обеспечивается зависимая от тока характеристика, так как для изгиба пластины и перемещения ее окончания на определенное расстояние до защелки МСР требуется некоторая постоянная энергия W. Источником этой энергии является тепловая энергия W_Q, получаемая при прохождении тока по нагревательному элементу согласно закону Джоуля-Ленца:

, отсюда .

(2.1)

Если принять, что W_Q = W и R _НЭ (сопротивление нагревательного элемента) – постоянные величины, то получим, что время срабатывания теплового расцепителя обратно пропорционально квадрату тока, проходящего через выключатель (см. рис. 2.3). Нагревательный элемент может быть сменной частью расцепителя, и, заменяя его на другой тип, с иным сопротивлением, можно создавать расцепители на различные номинальные токи в одном типоразмере выключателя. Изменением расстояния между нагревательным элементом и биметаллической пластиной (l) можно обеспечить регулирование номинального тока расцепителя в пределах (0,7-1,0) I _нр.

Тепловые расцепители обладают слабой термической стойкостью и низким быстродействием при отключении больших токов. Поэтому автоматические выключатели только с одним тепловым расцепителем применяются редко, обычно применяется комбинация из электромагнитного и теплового расцепителя. Электромагнитный расцепитель работает при КЗ, тепловой – при перегрузках.

 

Рис. 2.3. Тепловой расцепитель: а) времятоковая (защитная) характеристика, б) принцип действия; I нр– номинальный ток расцепителя, I сп – ток срабатывания при перегрузке, I сп.= (1,05-1,4) I нр, МСР – механизм свободного расцепления, ГК – главные контакты

Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит, который при возникновении сверхтока также воздействует на расцепляющее устройство, удерживающее главные подвижные контакты, что приводит к их размыканию. Расцепитель характеризуется мгновенным срабатыванием (сотые доли секунды) и обеспечивает независимую от тока характеристику.

Рис. 2.4. Электромагнитный расцепитель: а) времятоковые (защитные) характеристики, б) принцип действия. I нр(In) – номинальный ток расцепителя, I со(Im) – ток срабатывания отсечки для характеристик: B – I со= (3-5) I нр, C – I со.= (5-10) I нр, D – I со= (10-50) I нр t со (tm) – время срабатывания отсечки, МСР– механизм свободного расцепления, ГК – главные контакты.

Время срабатывания отсечки t _со не регулируется, так как независимо от величины тока (после тока уставки расцепителя) отключение произойдет за одинаковое время (0,01-0,04)с. Катушка может быть заменяемой частью расцепителя, и, заменяя ее на другую с иным количеством витков, можно создавать электромагнитные расцепители на различные номинальные токи в одном типоразмере выключателя. Изменением силы натяжения пружины можно обеспечить регулирования тока уставки расцепителя. В автоматических выключателях некоторых производителей имеется возможность регулировать ток срабатывания в широком диапазоне (до 10 ступеней), что позволяет настроить автоматический выключатель под конкретные требования защиты. Кроме того, такую регулировку можно использовать для обеспечения селективности по току.

Комбинированный (термомагнитный) расцепитель реализуеттепловой и электромагнитный способы защиты и изготовляется по проверенной временем недорогой технологии. Термомагнитные расцепители обеспечивают ограниченно зависимую времятоковую характеристику (см. рис. 2.5).

Характеристика такого вида получается за счет комбинации двух расцепителей (теплового и электромагнитного). Область действия теплового расцепителя ограничивается областью перегрузок, так как после значения тока I _со действует электромагнитный расцепитель, который срабатывает раньше, чем тепловой расцепитель.

 

Рис. 2.5. Комбинированный (тепловой и электромагнитный) расцепитель: а) времятоковые (защитные) характеристики, б) принцип действия.

I _нр(I_n) – номинальный ток расцепителя, I _со (I_m)– ток срабатывания отсечки для характеристик: B – I _со= (3-5) I _нр, C – I _со= (5-10) I _нр, D – I _со= (10-50) I _нр

t _со (t_m) – время срабатывания отсечки, МСР – механизм свободного расцепления,

ГК – главные контакты.

 

Такая характеристика получила название «двухступенчатая характеристика» и, кроме комбинированного расцепителя, может быть обеспечена полупроводниковым расцепителем, а также электромагнитным расцепителем в комбинации с часовым анкерным механизмом или гидравлическим замедлителем.

Электронный (полупроводниковый) расцепитель

В каждом полюсе автоматического выключателя размещен измерительный трансформатор тока, измеряющий протекающий через него ток. Измеренное и заданное значение токов сравниваются в электронном модуле, который, в случае превышения заданного значения, также воздействует на расцепляющее устройство, удерживающее главные подвижные контакты, что приводит к их размыканию. Времятоковая характеристика имеет три зоны срабатывания, параметры которых (ток и время) можно настраивать:

- зона срабатывания «Большая задержка» подобна зоне тепловых расцепителей и защищает цепи от перегрузки.

- зона срабатывания «Малая задержка» защищает от удаленных коротких замыканий (обычно в конце защищаемой линии). Порог срабатывания по току I _m (I _со) можно настроить, можно регулировать и время задержки t_m (t _со)до 1 секунды (обычно 0,1-0,4с), что используется для обеспечения надежной селективности срабатывания расположенных ниже аппаратов защиты.

- зона срабатывания «Мгновенно» защищает от «мощных» коротких замыканий. Порог срабатывания по току I_f (I _мгн) устанавливается при изготовлении и зависит от модели автоматического выключателя.

 

Рис. 2.6. Электронный расцепитель, вид времятоковой характеристики, возможности регулирования уставок тока и времени

Электронный расцепитель формирует трёхступенчатую защитную характеристику, которая аналогична двухступенчатой характеристике с выдержкой времени, но в зоне близких коротких замыканий при токе более I_f (I _мгн) автоматический выключатель отключается без выдержки времени.

Расцепители напряжения

Расцепитель минимального напряжения (минимальный расцепитель) – расцепитель, который контролирует снижение напряжения в электрической цепи и предназначен для отключения выключателя при снижении напряжения ниже определенного значения (см. рис. 2.7).

 

Рис. 2.7. Принципиальная схема расцепителя минимального напряжения

При наличии напряжения на шинах по электромагниту КYU протекает ток, который по закону полного тока создает магнитный поток. Якорь намагничивается и втягивается в катушку, сжимая при этом пружину. Механизм свободного расцепления (МСР) позволяет производить все операции с выключателем. При исчезновении напряжения на шинах или снижении его ниже какого-то уровня электромагнитная сила будет недостаточной, чтобы противодействовать силе пружины F _п, якорь выталкивается, воздействует на защёлку МСР, и автоматический выключатель отключается. Кнопкой SB можно разорвать цепь тока электромагнита, что позволяет дистанционно отключить выключатель.

Независимый расцепитель

Независимый расцепитель (рис.2.8)предназначен только для дистанционного отключения автоматических выключателей.

При замыкании кнопки SB по катушке начинает протекать ток, создающий магнитный поток. Якорь намагничивается, втягивается в катушку и своим окончанием воздействует на защёлку МСР, отключая автоматический выключатель.

 

Рис. 2.8. Принципиальная электрическая схема независимого расцепителя:

QF – главный контакт АВ, QF. 1 – вспомогательный контакт АВ

 

Таким образом, независимый расцепитель кинематически связан с механизмом управления и обеспечивает отключение выключателя при подаче на его катушку напряжения. Питание подается через замыкающий контакт вспомогательной цепи, что предохраняет катушку независимого расцепителя от длительного нахождения под током.

Нулевой (специальный) расцепитель

Нулевой (специальный) расцепитель (имеет схему подобную схеме расцепителя минимального напряжения, но подключается после главных контактов со стороны нагрузки) – это расцепитель, который не позволяет (запрещает) включить выключатель на возможное короткое замыкание в цепи нагрузки.