5.3 Содержание отчета

В отчете должны быть приведены: изложение цели работы, краткие сведения о назначении, области применения и основных технических данных, а также описание принципа работы рубильников и неавтоматических выключателей.

5.4 Контрольные вопросы

1. Назначение рубильников и неавтоматических выключателей.

2. Область применения рубильников и неавтоматических выключателей.

3. Требования к рубильникам и неавтоматическим выключателям.

4. Классификация рубильников и неавтоматических выключателей.

5. Основные параметры, которые характеризуют рубильники и неавтоматические выключатели.

6. Конструкция рубильников и неавтоматических выключателей.

7. Принцип действия рубильников и неавтоматических выключателей.

8. Достоинства и недостатки рубильников и неавтоматических выключателей.

9. Условия выбора рубильников и неавтоматических выключателей.

Лабораторная работа № 6

«Автоматические выключатели»

6.1 Цель работы

Изучение конструкций, принципа действия и особенностей функционирования автоматических выключателей.

6.2 Краткие теоретические сведения

6.2.1 Автоматический воздушный выключатель предназначен для автоматического размыкания электрических цепей при ненормальных режимах и для редких переключений при нормальных режимах работы.

В автоматических выключателях не применяется какой-либо специальной среды для гашения дуги, она гасится в воздухе, поэтому они называются воздушными.

По числу полюсов автоматы бывают одно-, двух и трехполюсными.

По времени срабатывания t_ср, т.е. времени от момента, когда контролируемый параметр (ток, напряжение, температура) превзошел установленное значение (уставка автомата), до момента расхождения контактов различают: нормальные автоматы с t_ср=0,02 – 0,1с; селективные автоматы с регулируемой выдержкой времени до 1с; быстродействующие автоматы с t_ср£0,005с.

Селективные автоматы позволяют осуществить селективную защиту сетей путем установки автоматов с разной выдержкой времени t₁ < t₂ < t₃. Быстродействующие автоматы обеспечивают ограничение токов сети, так как они отключают цепь до того, как ток к.з. не достигнет значения i_у.

Автоматы изготавливают на токи до 6000 А при напряжении переменного тока до 660 В и постоянного тока до 440 В. Отключающая способность автоматов достигает 200 – 300 кА.

В любом автомате можно различить следующие основные элементы: контакты с дугогасительной системой; привод; механизм свободного расцепления; расцепители; вспомогательные контакты.

6.2.2 Контакты автоматов должны без перегрева длительно пропускать номинальные токи и выдерживать воздействие дуги при отключении токов к.з. По первому условию необходимо контакты выполнять с небольшим переходным сопротивлением из материала с малым удельным сопротивлением, а по второму условию – из дугостойких материалов. Ввиду того, что трудно выполнить эти требования одновременно, применяют две пары контактов – главные и дугогасительные. В нормальном режиме основная часть тока проходит по главным контактам, выполненным из меди, серебра или их сплавов. При отключении сначала размыкаются главные контакты, но разрыва цепи не происходит, так как весь ток переходит в цепь дугогасительных контактов; затем размыкаются дугогасительные контакты, на которых и гасится электрическая дуга. При отключаемых токах не более 30 кА дугогасительные контакты могут выполняться из меди, при больших токах – из вольфрама, его сплавов или металлокерамики. Конструктивно эти контакты выполняются так, чтобы обеспечить их простую замену.

В автоматах на небольшие токи предусматривается одна пара контактов. Для уменьшения переходного сопротивления нажатие контактов обеспечивается пружинами. При протекании токов к.з. между контактами создается электродинамическое усилие, стремящееся разомкнуть контакты. Чтобы компенсировать эту силу, шинки изогнуты петлей, поэтому токи в шинках имеют разное направление, что создает электродинамическую силу, увеличивающую нажатие в контактах.

6.2.3 Дугогасительная система автомата предназначена для гашения дуги, возникающей при отключении автомата. Широко применяют дугогасительные камеры со стальными пластинами (эффект деления длинной дуги на короткие). При больших отключаемых токах применяют продольно-щелевые и лабиринтно-щелевые камеры, где использован эффект гашения дуги в узкой щели. Втягивание дуги в камеру осуществляется магнитным дутьем. Материал камеры должен обладать высокой дугостойкостью.

6.2.4 Приводы автоматов могут быть ручными и дистанционными. В первом случае включение производится поворотом рукоятки. Во втором случае воздействие осуществляется электромагнитом или специальным электродвигателем. Возможно применение пневматического привода. Отключение автоматов происходит под действием отключающих пружин при срабатывании механизма свободного расцепления.

6.2.5 Механизм свободного расцепления обеспечивает отключение автомата в любой момент времени, в том числе при необходимости и в процессе включения. Он состоит из шарнирно связанных рычагов и опоры. При включении движение от рукоятки передается через рычаги механизма свободного расцепления к контактному рычагу, который замыкает сначала дугогасительные, а затем главные контакты. Когда автомат включен, рычаги механизма свободного расцепления встают в «мертвое» положение, опора не позволяет им переместиться вниз. Если производится включение на существующее к.з., то от действия расцепителя механическая связь «сломает» рычаги механизма свободного расцепления по шарнирному соединению и под действием отключающей пружины контактная система переместится влево, произойдет отключение, несмотря на то, что рукояткой будет передаваться усилие на включение.

6.2.6 Расцепители – электромагнитный или термобиметаллический механизм, который контролирует заданный параметр цепи и вызывает отключение автомата при превышении параметра. Биметаллический (тепловой) расцепитель получает тепло от нагревателя и соединенного в цепи через добавочное сопротивление. При нагревании биметаллическая пластина, состоящая из двух металлов с разными коэффициентами линейного расширения, изгибается и передает усилие механической связи с расцепителем, ломающей рычаги механизма свободного расцепления. С помощью теплового расцепителя осуществляется защита от перегрузки. Время срабатывания зависит от тока перегрузки: чем больше ток, тем быстрее нагревается биметаллическая пластина и скорее происходит отключение.

Максимальный расцепитель состоит из катушки и сердечника. Когда по катушке протекает ток к.з., сердечник создает усилие, ломающее рычаги механизма свободного расцепления, что приводит к отключению автомата. Ток срабатывания максимального расцепителя можно регулировать.

Максимальный расцепитель может быть снабжен механизмом выдержки времени, зависящий или не зависящий от тока. Такие расцепители позволяют осуществить селективную защиту.

Возможно применение минимального расцепителя, отключающего автомат при недопустимом снижении напряжения, а так же независимого расцепителя для дистанционного отключения автомата кнопкой.

Автомат может иметь один или несколько расцепителей.

6.2.7 Вспомогательные контакты (блок – контакты) механически связанны с главными контактами и используются в цепях управления, сигнализации и блокировки.

На электростанциях, подстанциях, в промышленных установках и быту применяются автоматы различных конструкций.

Ниже рассмотрены конструкции автоматов, которые нашли наиболее широкое применение на электростанциях и подстанциях.

6.2.8 Автоматические выключатели серии А3700 на токи 160—630 А и напряжение переменного тока до 660 В, постоянного до 440 В выпускаются в пластмассовом корпусе с изолирующими перегородками между полюсами (рисунок 6.2) в двух исполнениях: А3700Б – токоограничивающие с электромагнитными расцепителями мгновенного действия и полупроводниковыми расцепителями; А3700С – селективные с полупроводниковыми расцепителями с регулируемой выдержкой времени. Пределы регулирования: ток срабатывания при перегрузках , при КЗ ; время срабатывания при 4–16 с, при КЗ 0,1–0,4 с.

Автоматические выключатели серии А3700 имеют одну пару контактов на полюс (4, 5) с металлокерамическими накладками. Включение и отключение может производиться вручную рукояткой 6 или электромеханическим приводом в виде отдельного блока, устанавливаемого над крышкой выключателя (на рисунке 6.2 не показан).

Автоматическое отключение при КЗ производится расцепителем мгно­венного действия, к магнитопроводу которого 13 притягивается якорь 12, ударяя по кулачку отключающей рейки 11. При перегрузках срабатывает полупроводниковый блок 10, воздействует на независимый расцепитель 9, к которому притягивается якорь 7, освобождая боек 8, воздействующий на отключающую рейку 11. Рейка освобождает механизм свободного расцепления, и контакты размыкаются. Возникающая дуга гасится в камере 2 со стальными пластинами. Предельный ток отключения 60—110 кА.

Рисунок 6.1 Защитная характеристика автоматического выключателя

Автоматический выключатель А3700 изготовляется в стационарном и выдвижном исполнениях и широко применяется в комплектных распределительных устройствах до 1 кВ.

6.2.9 Автоматический выключатель серии «Электрон» (Э) изготовляется для цепей переменного тока до 660 В и постоянного до 440 В на номинальные токи 1000—6300 А и токи отключения до 65—115 кА. Выключатели этой серии снабжены электродвигательным или электромагнитным приводом, который обеспечивает дистанционное включение. Отключение может осуществляться кнопкой ручного отключения, независимым расцепителем и максимальной токовой зашитой, выполненной на полупроводниковых блоках (см. рисунок 6.3).

Выключатели Э06 на ток до 1000 А имеют одноступенчатую контактную систему, состоящую из параллельно включаемой пары контактов. Выключатели Э16, Э25, Э40 на токи от 1600 до 6300 А имеют рабочие неподвижные контакты 7, 9, облицованные серебряными накладками, подвижный рабочий контакт 8 и дугогасительные контакты 5 и 6 с накладками из металлокерамики (рисунок 6.3). Дугогасительный контакт 6 выполнен с петлеобразным динамическим компенсатором 4.

Дугогасительное устройство состоит из изоляционного корпуса 2, в котором размещены стальные пластины 1 и пламегасительная решетка 3. Автоматические выключатели серии Э изготовляют для стационарной уста­новки или выдвижными. Выдвижные выключатели дополнительно снабжают втычными контактами на выводах главной цепи рычагами для механической блокировки, колесами для передвижения по рельсам каркаса. Они могут иметь рабочее положение – главная и вспомогательная цепь замкнуты; контрольное – главная цепь разомкнута, а вспомогательная – замкнута; ремонтное – главная и вспомогательная цепь разомкнуты. Специальная механическая блокировка препятствует вкатыванию и выкатыванию выключателя при включенном положении.

6.2.10 Автоматические выключатели серии АВМ выпускают на номинальные токи до 2000 А и напряжения 500 В переменного и 440 В постоянного тока. Выключатель имеет две пары контактов на полюс — главные 2 и дугогасительные 3, 4 (рисунок 6.4). Гашение дуги происходит в камере 5 со стальными пластинами 6.

Выключатели АВМ имеют максимальные расцепители с обратнозависимой выдержкой времени при перегрузках, которая достигается за счет часовых механизмов. При токах КЗ максимальный расцепитель срабатывает с установленной выдержкой времени 0,25; 0,4; 0,6 с за счет специального механического замедлителя расцепления.

Привод может быть ручным, рычажным или электродвигательным. Выключатели AВM изготовляют для стационарной установки или выдвижным для комплектных распределительных устройств (рисунок 6.4).

Кроме автоматических выключателей рассмотренных серий, для защиты электрических цепей от перегрузок и КЗ применяются выключатели АЕ-1000, АЕ-2000, АЕ-63, А-63, АВ-45 и др.

Рисунок 6.2. Автоматический выключатель А3700Б на 160 А, 660 В:

1 – выводы главной цепи; 2 – дугогасительная камера; 3 – пластмассовая крышка; 4 – подвижный контакт: 5 – неподвижный контакт; 6 – рукоятка управления; 7 – якорь независимого расцепителя; 8 – боек; 9 – катушка независимого расцепителя; 10 — полупроводниковый блок управления; 11 – отключающая рейка; 12 – якорь; 13 – магнитопровод расцепителя мгновенного действия; 14 – ручка регулирования уставок; 15 – трансформатор тока.

Рисунок 6.3. Контактная группа и дугогасительное устройство автоматических выключателей Э16, Э25, Э40

6.2.11 Автоматы гашения поля (АГП) относятся к особой группе (рисунок 6.5). Они предназначены для отключения тока в обмотке возбуждения генераторов. Автомат имеет главные контакты, расположенные открыто (на рисунке не показаны), и дугогасительные контакты (5, 6) в камере гашения дуги. Во включенном положении АГП удерживается защелкой. При отключении контакты 5 отходят вниз и возникают дуги между контактами 5 и 6, которые силой магнитного поля, созданного катушками 7, сердечниками 8 и стальными полюсами 9, выдуваются вверх. Образуется одна длинная дуга. Она загоняется в кольцевую дугогасительную камеру, где разбивается между медными пластинами 3 на короткие дуги. Одновременно в цепь включаются катушки 1, создающие радиальное магнитное поле, которое замыкается со стального сердечника 4 на стальной наружный кожух 2. В результате взаимодействия с магнитным полем короткие дуги получают круговое вращательное движение с большой скоростью и поэтому не плавят пластины. Вся энергия, выделяющаяся в дуге, распределяется по поверхности пластин и гасится ими. Температура пластин при этом не должна превышать 0ºС, исходя из чего и выбираются размеры пластин. Параллельно пластинам включены секции шунтирующих сопротивлений . В этом случае дуга на решетке гаснет не сразу, а по секциям, скачками, приближаясь к нулю. Первой гаснет дуга в секции, шунтированной меньшим сопротивлением. Постепенный спад тока уменьшает возникающие при разрыве цепи постоянного тока перенапряжения. Собственное время отключения АГП не более 0,15 с, а полное время гашения поля зависит от параметров генераторов.

6.2.12 Выбор автоматов производится:

- по напряжению установки

U_уст≤ U_ном;

- по роду тока и его значению

I_норм≤ I_ном, I_max≤ I_ном;

- по конструктивному выполнению;

• по предельно отключаемому току.

Селективные автоматы, действующие с выдержкой времени при к.з. проверяются по условию

I_п,о≤ I_отк,

где I_п,о- действующее значение периодической составляющей тока трехфазного к.з. в начальный момент; I_отк-действующее значение предельного тока отключения автоматического выключателя.

Токоограничивающие (быстродействующие) автоматы проверяются по условию

I_у⁽³⁾≤ I_отк;

- по электродинамической стойкости

i_у≤ i_пр,с.

Быстродействующие автоматы благодаря токоограничивающему эффекту на электродинамическую стойкость не проверяются.

По термической стойкости проверяются только селективные автоматы

В_к≤ I_т²t_Т,

где i_пр,с- амплитудное значение предельного тока к.з.; I_т – предельный ток термической стойкости; t_т- длительность протекания тока термической стойкости.