Конструкция и основные характеристики автоматических выключателей

Автоматические выключатели (АВ) постоянного и переменного тока выпускаются в одно–, двух– и трехполюсном исполнении. Они предназначены для нормальной коммутации и защиты электрических цепей от различных аварийных режимов: токов короткого замыкания и перегрузки, снижения или исчезновения напряжения, изменения направления тока и других. Устройства, реализующие функции защиты в автоматических выключателях, называются расцепителями.

Расцепители АВ, типовые схемы которых приведены на рис. 1 могут реагировать на различные виды повреждений.

Расцепители автоматов максимального тока (рис. 1-а) реагируют на повышение тока в цепи сверх установленного допустимого значения. В нормальном рабочем положении контакты выключателя замкнуты. Пружина 2 создает усилие, достаточное для удержания рычага 6, механически связанного с контактами, защелкой 4. Как только ток превысит установленное значение, усилие, развиваемое электромагнитом 1, превысит противодействие пружины 2, и притянет якорь 3. Механически связанная с якорем защелка 4 повернется относительно оси 5 по часовой стрелке и освободит рычаг 6. Под действием пружины 7 контакты автоматического выключателя разомкнутся. Путем регулирования натяжения пружины 2 можно регулировать и уставку расцепителя. Включение автоматического выключателя после срабатывания осуществляется вручную.

Расцепители автоматов минимального напряжения (рис. 1–б) реагируют на понижение ниже допустимого уровня напряжения в защищаемых цепях, поэтому катушка электромагнита 1 у них включается в сеть параллельно. В нормальном рабочем положении усилие, развиваемое электромагнитом 1 больше силы противодействия пружины 2, поэтому якорь 3 притянут к электромагниту, а защелка 4 удерживает рычаг 6. Если напряжение станет меньше допустимого, усилия электромагнита 1 окажется недостаточно для удержания якоря 3, и защелка 4 повернется вокруг оси 5 по часовой стрелке, освобождая рычаг 6. Под действием пружины 7 контакты разомкнутся. Уставка напряжения регулируется с помощью пружины 2.

Расцепители автоматов минимального тока (рис.1–в) ограничивают нижний предел тока, и применяются в цепях возбуждения синхронных ьмашин и машин постоянного тока. Они удерживают контакты в замкнутом положении до тех пор, пока ток в катушке электромагнита 1 имеет значение, достаточное для того, чтобы притягивать якорь 3, преодолевая противодействие пружины 2. Как только ток уменьшится до нормируемого минимального значения, натяжение пружины 2 станет больше силы притяжения якоря 2 к электромагниту, контакты выключателя разомкнутся.

Расцепители обратной мощности и обратного тока (рис. 1–г) применяются в цепях постоянного тока для контроля их полярности. Полный магнитный поток, от которого зависит тяговое усилие электромагнита, создается в результате взаимодействия потоков последовательной катушки 1 и параллельной катушки 8. При нормальном направлении мощности потоки эти направлены согласно, и результирующий магнитный поток создает усилие, достаточное для того, чтобы якорь 3 преодолел противодействие пружины 2, а защелка 4 удерживала рычаг 6. Если полярность тока в цепи изменится на противоположную, результирующий магнитный поток резко уменьшится, поскольку потоки катушек 1 и 8 в этом случае будут направлены встречно. В результате защелка 4 освободит рычаг 6, и под действием пружины 7 контакты разомкнутся и разорвут защищаемую цепь.

Большинство АВ имеют комбинированную защиту, реагирующую на несколько видов аварийных режимов. Устройство универсального выключателя показано на рис. 2. Механизм свободного расцепления, состоящий из шарнирно связанных рычагов 12, 13, 14 и опоры, обеспечивает отключение, при котором скорость расхождения контактов не зависит от действий оператора. Механизм включается вручную путем поворота рукоятки 15 по часовой стрелке. Вначале замыкаются дугогасительные контакты 5, находящиеся в камере 3 (их удар смягчается пружиной 4), затем – система главных контактов 6. При этом пружина 2 растягивается. Автоматическое отключение происходит под действием одного из расцепителей. Для защиты от длительных, но относительно небольших по величине перегрузок используется тепловой расцепитель 7, содержащий биметаллическую пластину и нагревательный элемент, подключенный параллельно резистору 8. Время срабатывания теплового расцепителя зависит от величины тока перегрузки. Расцепитель максимального тока состоит из катушки с сердечником 9 и якорька. Если ток в катушке многократно превысит номинальное значение, якорек притянется к сердечнику, и переместит механизм расцепления вверх, выводя рычаги из «мертвого» положения. Предварительно взведенная пружина 2 оттягивает рычаг 14 влево и размыкает контакты выключателя. В расцепителе минимального напряжения 10 также имеются сердечник с катушкой и якорек. Если напряжение на катушке находится в допустимых пределах, якорек преодолевает сопротивление пружины и притягивается к сердечнику. При уменьшении напряжения пружина преодолевает сопротивление якорька и, воздействуя на рычаги механизма расцепления, отключает автомат. Срабатывание любого из расцепителей приводит к «излому» рычагов, после которого автомат необходимо включать в следующей последовательности. Вначале рукоятку 15 поворачивают до упора против часовой стрелки, чем взводят механизм свободного расцепления. Рычаги 12 и 13 выпрямляются и создают жесткую связь. Затем рукоятку 15 поворачивают в противоположном направлении, замыкая контакты выключателя. Рычаги при этом занимают «мертвое» положение. Ручное отключение производится поворотом рукоятки 15, дистанционное – путем замыкания контакта в цепи катушки электромагнита 11. Дистанционное включение можно осуществлять автоматически, с помощью электромагнита 1.

Основными характеристиками автоматических выключателей являются номинальное напряжение (U_а.ном) и номинальный ток (I_а.ном).

Номинальным напряжением АВ называется напряжение, при котором нормируются его технические характеристики.

Номинальным током называется установленное изготовителем значение тока, протекающего через автоматический выключатель при указанной контрольной температуре окружающей среды, при котором он может работать в течение неограниченно длительного времени.

Расцепители автоматических выключателей также характеризуются номинальным током I_рц.ном, под которым понимается наибольший ток, протекание которого не вызывает срабатывания, током срабатывания I_рц.ср и временем срабатывания t_cp. Зависимость этого времени от величины тока срабатывания называется защитной характеристикой.Тепловые расцепители осуществляют максимальную токовую защиту. Сочетание теплового и электромагнитного расцепителей позволяет осуществлять двухступенчатую защиту. При относительно небольших перегрузках она действует с зависимой выдержкой времени, а при коротких замыканиях – без выдержки времени.

В качестве примера на рис. 3 показаны защитные характеристики комбинированных расцепителей автоматических выключателей широко распространенной серии А 3110.

Существует большое количество автоматических выключателей, которые различаются между собой по типу расцепителей и осуществляемых защит, конструкции, и другим критериям.

Автоматические выключатели серии А 3700 на номинальные токи до 630 А выпускаются в двух модификациях – селективные (С), и токоограничивающие быстродействующие (Б). Селективные выключатели снабжаются полупроводниковыми расцепителями серии РП, которые обеспечивают двухступенчатую токовую защиту и могут настраиваться в условиях эксплуатации. Расцепитель выключателя типа А 3790 С содержит три ступени токовой защиты. Первая ступень обеспечивает отключение без выдержки времени (токовую отсечку) при токах свыше 20 кА. Вторая ступень – токовая отсечка с выдержкой времени, позволяет осуществлять селективную защиту нескольких последовательных участков сети. Токовая отсечка в этом случае имеет независимую регулируемую выдержку времени: 0,1; 0,25 и 0,4 с. Третья ступень – максимальная токовая защита, позволяет изменить наклон защитных характеристик расцепителя таким образом, что при токе, равном 6I_рц.ном можно получить выдержки времени, равные 4, 8 и 16 с. Все быстродействующие выключатели снабжаются полупроводниковыми расцепителями с токовой отсечкой без выдержки времени. Токоограничивающее устройство под действием электродинамических сил размыкает контакты выключателя прежде, чем ток короткого замыкания достигает максимального значения.

Автоматические выключатели серии «Электрон» на номинальные токи до 6300 А и предельно отключаемые токи до 100 кА снабжены регулируемыми полупроводниковыми расцепителями типа РМТ. Они позволяют выполнять трехступенчатую токовую защиту с зависимой и независимой выдержкой времени третьей ступени. Выдержка времени второй ступени может устанавливаться на 0,25; 0,45 и 0,7 с.

Автоматические выключатели серии ВА в зависимости от их назначения и номинального тока содержат различные комбинации тепловых, электромагнитных и полупроводниковых расцепителей. Селективные выключатели ВА 55 и ВА 75 имеют три ступени защиты и допускают дискретную регулировку номинального тока полупроводниковых расцепителей типа БПР. Выдержки времени при токе 6I_рц.ном составляют 4, 8 и 16 с. Выдержка времени второй ступени защиты устанавливается равной 0,1; 0,2 или 0, 3 с. Не селективные выключатели ВА 51 и ВА 52 имеют электромагнитные и тепловые расцепители, или только электромагнитные. Электромагнитные расцепители осуществляют первую ступень защиты, а тепловые – третью.

1. А.С. Дорофеюка: "Справочник по наладке электроустановок"

2. Э.С. Мусаэлян: "Справочник по наладке вторичных цепей электростанции и подстанций"

3. В.С. Попов: "Электротехнические измерения"

4. В.И. Гейдукевич:" Справочное пособие электромонтёра в строительстве "