2.6.2. Принцип действия и основные узлы автоматических выключателей

В любом автомате есть следующие основные узлы: токоведущая цепь с контактной системой, дугогасительная система, привод автомата, механизм автомата, механизм свободного расцепления, элементы защиты – расцепители.

Принципиальная схема автомата на ток более 200А приведена на рис. 2.6.1. Токоведущая цепь имеет основные 3 и дугогасительные 1 контакты. Включение автомата может производиться вручную (рукояткой 12 или электромагнитом 4. Звенья 6, 7 и упор 13 являются механизмом свободного расцепления. Отключение автомата может производиться вручную 12 или от расцепителей 5, 9, 10, 11. Скорость расхождения контактов обеспечивается пружиной 9. Гашение дуги, образующейся при отключении, происходит в камере 2.

Рис.2.6.1. Принципиальная схема автомата

Токоведущая цепь автомата. Наиболее ответственной частью токоведущей цепи автоматов являются контакты. При номинальных токах до 200 А применяется одна пара контактов, которые для увеличения дугостойкости могут быть облицованы металлокерамикой. Большие номинальные токи требуют применения двухступенчатого контакта типа перекатывающегося моста или пары основных и дугогасительных контактов. На рис. 2.6.1. контактная система имеет основные 3 и дугогасительные контакты 1. Основные контакты облицовываются либо серебром, либо металлокерамикой (серебро, никель, графит). Дугогасительный неподвижный контакт покрывается металлокерамикой. В автоматах на большие номинальные токи применяется включение нескольких параллельных пар основных контактов.

В быстродействующих автоматах с целью уменьшения собственного времени применяются исключительно торцевые контакты, имеющие малый провал. Контакты изготавливаются из меди и поверхности касания подвергаются серебрению. В связи с ростом номинального тока и относительно высоким сопротивлением контактов в настоящее время проводятся работы по искусственному охлаждению контактов с помощью жидкости. Такое решение задачи позволяет сохранить малую массу и быстродействие автомата и увеличить длительный ток с 2500 до 10 000 А.

Устойчивость контактов при включении на короткое замыкание зависит от скорости нарастания давления в контактах. При амплитуде включаемого тока более 30— 40 кА применяют автоматы моментного действия, у которых скорость движения контактов и нажатие в них не зависят от скорости перемещения включающей рукоятки.

В универсальных автоматах, работающих селективно, создается намеренная выдержка времени при протекании тока короткого замыкания.

Во избежание сваривания контактов аппарата обязательно применяется электродинамическая компенсация. Один из компенсаторов показан на рис. 2.6.1. При протекании тока в дугогасительном контуре на проводник АВ, несущий неподвижный дугогасительный контакт, действует электродинамическая сила , увеличивающая нажатие контактов.

В установочных и быстродействующих автоматах, у которых отключение при коротком замыкании происходит без выдержки времени, электродинамическая компенсация не применяется, так как она ведет к увеличению собственного времени отключения.

Гашение электрической дуги в автомате. Автомат должен обеспечивать гашение дуги при всех возможных режимах сети.

В автоматах нашли применение два исполнения дугогасительных устройств — полузакрытое и открытое.

В полузакрытом исполнении автомат закрыт кожухом, имеющим отверстия для выхода горячих газов. Объем кожуха делается достаточно большим, чтобы избежать появления внутри кожуха больших избыточных давлений. При полузакрытом исполнении зона выброса горячих и ионизированных газов составляет обычно несколько сантиметров от выхлопных щелей. Такое конструктивное решение применяется в автоматах, монтируемых рядом с другими аппаратами, в распределительных устройствах, в автоматах с ручным управлением. Предельный ток не превышает 50 кА.

При токах 100 кА и выше применяются камеры открытого исполнения с большой зоной выброса. Полузакрытое исполнение применяется, как правило, в установочных и универсальных автоматах, открытое — в быстродействующих и автоматах на большие предельные токи (100 кА и выше) или большие напряжения (выше 1000В).

В аппаратах массового применения (установочных и универсальных) широкое применение получила деионная дугогасительная решетка из стальных пластин. Поскольку автоматы должны работать как на переменном, так и на постоянном токе, число пластин выбирается из условия отключения цепи постоянного тока. На каждую пару пластин должно приходиться напряжение менее 25 В.

В цепях переменного тока с напряжением 660 В такие дугогасительные устройства обеспечивают гашение дуги с током до 50 кА. На постоянном токе эти устройства работают при напряжении до 440 В и отключают токи до 55 кА. В дугогасительных устройствах со стальными пластинами гашение происходит спокойно, с минимальным выбросом ионизированных и нагретых газов из дугогасительного устройства.

При больших токах применяются лабиринтно-щелевые камеры и камеры с прямой продольной щелью. Втягивание дуги в щель осуществляется магнитным дутьем с катушкой тока.

Продольно-щелевая камера может иметь несколько параллельных щелей неизменного сечения. Это уменьшает аэродинамическое сопротивление камеры и облегчает вхождение дуги с большим током в щели. Вначале дуга разбивается на ряд параллельных волокон. Но затем из всех параллельных ветвей остается лишь одна, в которой окончательно происходит гашение. Стенки камеры и перегородки изготавливаются из асбоцемента.

В лабиринтно-щелевой камере постепенное вхождение дуги в зигзагообразную щель не создает высокого аэродинамического сопротивления при больших токах. Узкая щель повышает градиент напряжения в дуге, что сокращает необходимую длину дуги при гашении. Зигзагообразная форма щели уменьшает габариты автомата.

В лабиринтно-щелевой камере осуществляется интенсивное охлаждение дуги стенками камеры. Ввиду того что дуга отдает большое количество тепла стенкам щели, материал камеры должен обладать высокой теплопроводностью и температурой плавления.

Для того чтобы не происходило разрушение камеры от высокой температуры, необходимо, чтобы дуга двигалась непрерывно с большой скоростью. Это требует создания мощного магнитного поля на всем пути движения дуги в щели. При недостаточной скорости движения происходит разрушение дугогасительного устройства.

В качестве материала для камеры применяется кордиерит. Газообразующие материалы типа фибры, органического стекла не применяются из-за повышения аэродинамического сопротивления.

В настоящее время с целью упрощения конструкции (отказ от мощных и сложных систем магнитного дутья) вновь возвращаются к идее деионной стальной решетки. Стальные пластины, имеющие паз для дугогасительных контактов создают усилие, перемещающее дугу. В отличие от обычной решетки дуга соприкасается с изолированными стальными пластинами: гашение происходит так же, как в камере с поперечными изоляционными перегородками, но при отсутствии специальной магнитной системы, двигающей дугу.

Расцепители автоматов. Автоматы снабжены расцепителями, которые срабатывают при возникновении аварийных режимов установок и механически воздействуют на удерживающий элемент аппарата. При срабатывании они освобождают его подвижную систему.

Наиболее распространенные расцепители: электромагнитные, термобиметаллические, термомагнитные, магнитнострикционные, полупроводниковые.

Электромагнитный расцепитель (рис.2.6.2).

Н

Рис.2.6.2. Электромагнитный расцепитель

Электромагнитный расцепитель осуществляет защиту от токов короткого замыкания.

Термомагнитный расцепитель (рис. 2.6.3).

П

Рис.2.6.3. Термомагнитный расцепитель

Повышение тока приводит к перегреву обмотки и детали, ее магнитное сопротивление увеличивается и магнитный потокпроходит через минимальный воздушный зазор. Электромагнитная сила притягивает якорь 2 к полюсу магнитопровода 3 и защелка 4 освобождает механизм и автомат отключается. Сила пружиныобусловливает величину тока срабатывания.

Осуществляет защиту от токов короткого замыкания.

Термобиметаллические и магнитострикционные биметаллические расцепители ( рис 2.6.4).

Осуществляют защиту от перегрузок.

Т

Рис.2.6.4. Термобиметаллические и магнитострикционные расцепители

Ряд материалов обладает свойством изменять свои линейные размеры в магнитном поле (магнитострикция). В магнитном поле, создаваемом током защищаемой цепи, размещен биметаллический элемент – (двухслойный элемент из материалов с выраженной отрицательной и положительной магнитострикцией). Свободный конец биметаллического элемента при повышенном токе изгибается и воздействует на соответствующую деталь автомата, вызывая его отключение.

П

Рис. 2.6.5. Полупроводниковый расцепитель

Представляют статические устройства, состоящие из рядов полупроводниковых блоков. Блок 1 измеряет ток i защищает установки (трансформаторы тока или дроссельные

магнитные усилители для постоянного тока). Блок 2 анализирует сигнал от блока 1(схватывает). Если этот сигнал соответствует току перегрузки, то из блока 2 поступает пропорционально току сигнал на блок 3, который запускает полупроводниковое реле (блок 4). Он создает зависимую от токавыдержку времени. В качестве времязадающего элемента обычно используется R-С цепочка, постоянная времени которой. Блок 5 усиливает сигнал от блока 4 и подает импульс на отключающую катушку (ОК) автомата.

При токе короткого замыкания сигнал с блока 2 достаточен для запуска блока 6, который мгновенно срабатывает. Блок 7 при необходимости создает некоторое постоянное время задержки сигнала, что необходимо при кратковременном (самостоятельно исчезающем) коротком замыкании. Блок 5 усиливает сигнал и подает импульс на ОК.