ВЫКЛЮЧАТЕЛИ НОРМАЛЬНЫЕ И С ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ
Независимо от назначения и быстродействия выключатели состоят из следующих основных элементов: главной контактной системы (главных контактов), дугогасительной системы, привода, расцепляющего устройства, расцепителей и вспомогательных контактов.
Главная контактная система – определяющий элемент выключателя. Она должна удовлетворять двум основным требованиям: 1) обеспечивать, не перегреваясь и не окисляясь, продолжительный режим работы при номинальном токе и 2) быть способной, не повреждаясь, включать и отключать большие токи короткого замыкания, достигающие в современных промышленных установках 75 – 100 кА, а в отдельных энергоемких производствах с короткими сетями – 150 – 200 кА. В связи с этим в выключателях на средние и большие токи с высокой отключающей способностью применяются многоступенчатые контактные системы, состоящие, например, из основных и дугогасительных контактов.
Использование металлокерамики позволяет в современных конструкциях на большие токи, применять преимущественно двухступенчатые контактные системы, а в выключателях на малые и средние (до 630 А) токи – одноступенчатые контактные системы (мостиковые, рычажные).
Контактные системы на средние и большие токи выполняются с компенсацией электродинамических сил. Наиболее эффективным следует считать принцип электродинамической компенсации (см. рис. 4-21, д). Компенсирующее усилие здесь (как и электродинамические силы) растет пропорционально квадрату тока и систему можно выполнить так, что компенсирующая сила будет всегда превосходить отбрасывающую силу. Электромагнитная компенсация (см. рис. 4-21, е) становится неэффективной при больших токах, так как при насыщении (при токах 10 – 25 кА) компенсирующее усилие мало возрастает с увеличением тока, в то время как отбрасывающая сила продолжает возрастать пропорционально квадрату тока.
Следует отметить, что в отдельных конструкциях отбрасывающее электродинамическое усилие в контактах используется для получения токоограничивающего эффекта (быстродействия) выключателя.
Кинематика выключателя выполняется так, что за время отброса контакта под действием электродинамических сил происходит расцепление контактной системы и контакты расходятся. Повторного замыкания контактов не происходит.
Повышение номинальных токов контактных систем возможно за счет применения жидкостного, в частности водяного, охлаждения, а повышение номинальных токов выключателей – еще и за счет применения параллельных контактных систем.
Дугогасительная система должна обеспечивать отключение больших токов короткого замыкания в ограниченном объеме. Под воздействием возникающих электродинамических сил дуга быстро растягивается и гаснет, но ее пламя занимает очень большое пространство. Задача дугогасительного устройства заключается в том, чтобы ограничить размеры дуги и обеспечить ее гашение в малом объеме. С этой целью широкое распространение получили камеры с дугогасительными решетками и камеры с узкими щелями. В современных конструкциях все большее применение находят пламегасительные решетки, образуя такие комбинированные устройства, как камера с дугогасительной решеткой плюс пламегасительная решетка, камера с дугогасительной решеткой в узкой щели плюс пламегасительная решетка и т. п.
Как правило, магнитное поле дугогашения в выключателях создается самим контуром тока. Система с последовательной дугогасительной катушкой по принципу, показанному на рис. 6-14, не может применяться в выключателях – в цепи главных контактов из-за больших токов, в цепи дугогасительных контактов из-за большой индуктивности катушки. Контактная система может рассматриваться как одновитковая дугогасительная катушка. Электродинамические силы контура тока (особенно при коротких замыканиях) обеспечивают быстрое перемещение дуги по контактам, а также в камере.
Дугогасительные решетки с прямыми и U-образными стальными пластинами создают дополнительные силы, перемещающие дугу в камере. Для создания дополнительного магнитного поля дугогашения может быть применена система с последовательной дугогасительной катушкой в рассечке рогов (см., например, рис. 11-15). Катушка (а, следовательно, и поле) включается самой дугой, как только последняя достигает рогов и перемкнет рассечку. Катушка обтекается током только во время гашения и может быть выполнена малого сечения.
Повысить отключающую способность выключателей можно применением ряда параллельных контактных систем с одновременным существованием и искусственным поддержанием горения электрических дуг на их дугогасительных контактах. Размыкание параллельно включенных контактов происходит неодновременно, и дуга возникает на тех контактах, которые размыкаются последними. Можно, однако, создать такие условия, при которых дуга возникнет и будет одновременно существовать на всех параллельных контактах. В таком случае отключающая способность выключателя повысится пропорционально числу параллельно включенных дугогасительных контактов.
Рис. 16-3. Электрическая дуга на параллельных контактах: а – схема контактора; б – осциллограмма отключения тока
Допустим, что мы имеем два параллельно включенных контакта 1 и 2 (рис. 16-3, а). Для равномерного распределения тока в замкнутом положении контактов необходимо, чтобы сопротивления R1 и R2 параллельных ветвей аb и cd были равны. Это может быть достигнуто относительно просто (подбором соответствующей длины подводящих шин или другим способом). Возникновение и одновременное горение дуги на параллельных контактах возможно при. определенном значении индуктивностей L1, L2 и взаимной индуктивности М12. Допустим, что контакты 1 разомкнутся первыми, тогда весь ток ветви ab пойдет через ветвь cd и на контактах 1 возникнет напряжение
Чтобы на контактах 1 возникла дуга, напряжение Uк должно быть не менее 24 – 30 В. Отсюда определится значение требуемой индуктивности:
(16-2)
При идентичных контактных системах индуктивность их равна, тогда L1 = L2, а
На рис. 16-3, б приведена осциллограмма отключения тока макетом выключателя, в котором выполнены приведенные выше условия. Выключатель отключил ток 70 кА. На каждый из параллельных контактов (их было два) пришлось по 35 кА. Дуги на обоих контактах горели и погасли одновременно.
Повышение отключающей способности автоматических выключателей связано также с обеспечением бездугового размыкания основных контактов. При их размыкании протекавший по ним ток переходит в дугогасительные контакты. При этом на контактах возникнет напряжение
где Lо, Lд, 2Мо.д – соответственно индуктивность основных и дугогасительных контактов и взаимная индуктивность между ними; diо/dt — скорость изменения тока в цепи основных контактов.
Для исключения возможности появления дуги на основных контактах необходимо, чтобы индуктивность цепи
Идеальным случаем было бы
Lo + Lд = 2Мо.д. (16-6)
Таким образом, при конструировании контактной системы необходимо стремиться снизить индуктивности основных и дугогасительных контактов и увеличить магнитную связь между этими ветвями.
Весьма серьезным вопросом является отключение малых токов при оперативных коммутациях. При токах I < 0,5Iном магнитное поле контура тока (электродинамические силы) может оказаться недостаточным для обеспечения движения дуги в камерах с узкими щелями. Приходится идти на увеличение зазора контактов и принимать другие специальные меры.
Привод служит для включения выключателя по чьей-либо команде (оператора, системы автоматического управления и др.). Выполняются выключатели с ручным или двигательным приводом либо с тем и другим. Под двигательным понимают привод, в котором сила создается любым видом энергии, кроме мускульной энергии оператора, например электромагнитом, электродвигателем, пневматикой, гидравликой и т. п. Отключение выключателя осуществляется пружинами после разъединения расцепляющего устройства.
Расцепляющее устройство предназначено:
1) для исключения возможности удерживать контакты выключателя во включенном положении (рукояткой, дистанционным приводом) при наличии ненормального режима работы в защищаемой цепи;
2) для обеспечения моментного отключения, т. е. не зависящей от оператора, рода и массы привода скорости расхождения контактов.
Расцепляющее устройство представляет собой систему шарнирно-связанных рычагов, соединяющих привод включения с системой подвижных контактов, которые соединены с отключающей пружиной. Принцип работы устройства может быть пояснен схемой (рис. 16-4).
Рис. 16-4. Пример исполнения расцепляющего устройства автоматического выключателя
Схема на рис. 16-4, а соответствует положению «отключено вручную» и «выключатель взведен». «Взведен» значит, что контакты 7 и 8 разомкнуты, а фигурный рычаг 9 поставлен под зацепление 4 отключающего валика 5; это осуществляется поворотом рукоятки 1 вправо. При повороте рукоятки влево отключающая пружина 2 переведет «ломающиеся» рычаги 3 и 6 через мертвое положение до упора шарнира 0 в рычаг 9 и замкнет контакты. Положение «включено» показано на рис. 16-4, б.
В случае возникновения ненормальных условий работы в защищаемой цепи соответствующий расцепитель повернет отключающий валик и выведет его из зацепления с фигурным рычагом. Под действием отключающей пружины фигурный рычаг повернется и другим своим концом переведет «ломающиеся» рычаги вправо через мертвое положение. Отключающая пружина «изломит» рычаги и разомкнет контакты. Выключатель окажется в положении «отключено автоматически» (рис. 16-4, в). Для повторного включения необходимо отвести рукоятку вправо и ввести в зацепление фигурный рычаг с отключающим валиком.
Конструкции расцепляющих устройств весьма разнообразны, однако действие их подобно описанному. В дальнейшем расцепляющее устройство будем изображать схематично в виде двух сцепленных рычагов.
Следует отметить одно весьма важное обстоятельство. Отключающие и контактные пружины в автоматических выключателях развивают силы в десятки и сотни ньютонов. Система рычагов расцепляющего устройства строится так, что для расцепления требуются незначительные усилия. Это позволяет иметь легкие и высокой чувствительности расцепители.
Расцепители – элементы, которые контролируют заданный параметр защищаемой цепи и, воздействуя на механизм расцепления, отключают выключатель при отклонении значения параметра от установленного. Они представляют собой реле или элементы реле, встроенные в выключатель с использованием элементов последнего или приспособленные к его конструкции. Расцепители выполняются на базе контактных реле. В настоящее время все большее применение находят расцепители на принципах или на базе полупроводниковых реле и их элементов. При этом контролирующие и сравнивающие органы расцепителя выполняются на полупроводниковых элементах с выходом на независимый электромагнитный расцепитель (исполнительный орган), который воздействует на механизм расцепления.
В. зависимости от исполнения расцепители бывают:
1) токовые максимальные мгновенного или замедленного действия, последние используются как расцепители перегрузки;
2) расцепители напряжения: минимальные – для отключения выключателя при снижении напряжения ниже определенного уровня, независимые – для дистанционного отключения выключателя, срабатывающие при подаче на них соответствующего напряжения;
3) расцепители обратного тока – срабатывают при изменении направления тока;
4) тепловые – работают в зависимости от значения тока и времени его протекания, применяются обычно для защиты от перегрузок;
5) комбинированные — срабатывают при сочетании ряда факторов.
Рис. 16-5. Примеры схем некоторых расцепителей
Схема выключателя с расцепителем токовым максимальным мгновенного действия показана на рис. 16-5, а. Токоведущую шину 1 полюса выключателя охватывает магнитопровод, состоящий из сердечника 2 и якоря 3. Когда ток станет выше определенного значения, тяговое усилие превысит усилие пружины 5, якорь притянется и повернет отключающий валик 4. Расцепляющее устройство освободится. Выключатель отключится. Регулировка тока срабатывания осуществляется натягом пружины 5.
Расцепитель напряжения минимальный (рис. 16-5, б) состоит из электромагнита – сердечника 2, якоря 4 и катушки 3, подключенной на контролируемое напряжение. При нормальных режимах якорь притянут. При снижении контролируемого напряжения ниже определенного значения (уставки) якорь под действием регулировочной (она же и отключающая) пружины 5 отпадет и, воздействуя на расцепляющее устройство через защелку 6, отключит выключатель. Магнитная система расцепителя выполняется так, что МДС катушки при номинальном напряжении недостаточна для притяжения якоря, но достаточна для его удержания. Якорь замыкается при подготовке выключателя к включению при помощи рычагов 1, связанных с валом выключателя.
Расцепитель напряжения независимый (рис. 16-5, в) представляет собой электромагнит, который притягивает свой якорь при включении катушки на соответствующее напряжение. Своим концом якорь воздействует на расцепляющее устройство и отключает выключатель.
Рис. 16-6. Комбинированный (токовый и тепловой) расцепитель
Пример исполнения комбинированного (токового максимального и теплового) расцепителя приведен на рис. 16-6. При перегрузках срабатывает тепловой расцепитель: биметаллическая пластинка 2 вследствие нагрева изгибается и винтом 3 поворачивает отключающий валик 4. При коротком замыкании сработает токовый максимальный расцепитель, состоящий из сердечника 7 и якоря 5, охватывающих токопровод 6. Максимальный расцепитель воздействует на тот же отключающий валик. Для ограничения тока через биметаллическую пластинку служит шунт 1.
Вспомогательные контакты служат для производства переключений в цепях управления, блокировки и сигнализации в зависимости от коммутационного положения выключателя. Они выполняются обычно в виде отдельного блока, связанного с подвижной системой выключателя.
Ниже рассмотрены некоторые современные конструкции автоматических выключателей.
Автоматические выключатели серии АК-50. Изготовляются на номинальный ток 50 А, двухполюсные – на напряжение до 320 В постоянного тока и трехполюсные – на 400 В переменного тока частотой 50, 60 и 400 Гц. Они могут снабжаться токовыми (от 0,6 номинального значения тока до номинального) электромагнитными расцепителями без замедления или с гидравлическим замедлителем. Отключающая способность 4,5 кА при постоянном токе, 9 и 12 кА при переменном токе частотой 50 и 400 Гц соответственно.
Механическая износостойкость – 50 000 включений и отключений, коммутационная износостойкость – 6000 отключений номинального тока при номинальном напряжении. Узлы выключателя монтируются в пластмассовом кожухе.
Выключатели автоматические серии «Электрон». Выполняются на токи 800, 3200, 6300 А при напряжении 660 В переменного тока частотой 50 Гц и 440 В постоянного тока. Механическая износостойкость 10000, 5000, 3000, коммутационная износостойкость 1000, 1000, 500 циклов соответственно. Включаемые токи 60 – 230 кА, отключаемые – 28-105 кА при 380 В и 20-50 кА при 660 В.
Выключатели собираются из отдельных конструктивных сборочных единиц: контактных систем, дугогасительных систем, привода, механизма управления, узла вспомогательных контактов, расцепителей и элементов схемы управления. Выключатель обычно снабжается расцепителями токовым максимальным и минимального напряжения или независимым. Токовый максимальный расцепитель - полупроводниковый.
Рис. 16-7. Контактная и дугогасительная система автоматических выключателей серии «Электрон»
Контактная и дугогасительная системы выключателей представлены на рис. 16-7. Контактная система состоит из основных с серебряными накладками (подвижного 2 и неподвижных 1 и 3) контактов и дугогасительных контактов 8 и 9 с металлокерамическими накладками. Неподвижный дугогасительный контакт 9 имеет электродинамический компенсатор 4 по схеме рис. 4-21, д. Дугогасительная система состоит из камеры 6 с узкой прямой щелью, в перегородках которой размещена дугогасительная решетка из стальных пластин 5. Для ограничения выброса пламени и ионизированных газов в верхней части камеры установлена пламегасительная решетка 7. Дугогасительные контакты входят в камеру с очень малыми зазорами, предотвращая тем самым выброс пламени дуги вниз и способствуя повышению давления в камере.
Рис. 16-8. Автоматический выключатель серии А-3700
Выключатели автоматические серии А-3700 (рис. 16-8). Выполняются четырех габаритов: 40, 80 и 160 А (один габарит), 250, 400 и 630 А на 660 В переменного тока частотой 50 и 60 Гц и 440 В постоянного тока. По роду защиты они могут быть токоограничивающими, с выдержкой времени и неавтоматические. Предельная коммутационная способность (наибольшее мгновенное значение) для токоограничивающих выключателей 100 кА при напряжении 440 В, 18-100 кА при 380 В, 18-60 кА при 660 В для выключателей 40 – 630 А соответственно. У выключателей с выдержкой времени коммутационная способность при 440 В равна 35 кА, при 380 и 660 В – 60 кА. Износостойкость механическая – 16 000 циклов включений-отключений, коммутационная – 10 000 для токоограничивающих и 5000 циклов для выключателей с выдержкой времени и неавтоматических.
Выключатель смонтирован в изоляционной оболочке (со степенью защиты IP30 по ГОСТ 14254 – 69), состоящей из корпуса 1 и крышки 5. Ребра, в корпусе и крышке отделяют полюсы друг от друга. Токоподводы 2 закрыты от прикосновения обслуживающего персонала.
Контактная система состоит из подвижных контактов 6, укрепленных на изоляционной оси 13, связанной с расцепляющим устройством, и неподвижных контактов 14 токоограничивающего или компенсационного устройства, собираемых из унифицированных деталей (принцип токоограничения см. на с. 203).
Гашение дуги осуществляется в камере с дугогасительной решеткой 4. Над камерой установлена пламегасительная решетка 3.
Расцепляющее устройство обеспечивает моментное замыкание и размыкание контактов. Расцепители максимального тока – полупроводниковые, изготовляются в виде отдельного блока 8. Они позволяют при помощи рукояток 9 регулировать номинальный ток расцепителя, уставку по току в зоне короткого замыкания, время отключения для выключателей с выдержкой времени или время отключения при перегрузках. Полупроводниковый расцепитель воздействует на расцепляющее устройство через независимый расцепитель (катушку с сердечником 11, якорь 12).
При переменном токе измерительным элементом для полупроводникового расцепителя являются трансформаторы тока 10, а при постоянном токе - магнитные датчики, устанавливаемые в каждом полюсе.
Привод выключателя: ручной – осуществляется рукояткой 7, двигательный – устанавливается на крышке и воздействует на выключатель через эту рукоятку.
Выключатели типа ВВШ. На базе выключателей серии АМ построены водоохлаждаемые выключатели на номинальные токи 25 и 50 кА. Система водоохлаждаемых основных контактов приведена на рис. 16-9. Вода по шинам-трубкам 1 поступает в башмаки 2, а оттуда в неподвижный контакт 4. Она протекает по залитой в тело контакта трубке 8, выходит в изоляционную трубку 3 и по ней поступает во второй неподвижный контакт 5. Там вода протекает по трубке б и выходит в полые шины 7, отводящие ток и воду.
Рис. 16-9. Контактная система выключателя с водяным охлаждением
Применение водяного охлаждения позволило в четыре раза повысить номинальные токи выключателей. Применяя параллельные контакты, можно получить выключатели на очень большие номинальные токи.