Выключатели Э. П. С

ГЛАВНЫЕ И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ

Главные (на э. п. с. переменного тока) и быстродействующие (на э. п. с. постоянного тока) выключатели используют как основные аппараты прямой защиты от к. з. в силовых цепях и одновременно в качестве исполнительных аппаратов для защиты других видов.

Быстродействующие автоматические выключатели (БВ). Параметры этих выключателей устанавливают исходя из ожидаемого режима к. з. Уравнение напряжений при к. з.

(5.3)

где — напряжение на шинах тяговой подстанции; — ток короткого замыкания;, — соответственно активное сопротивление и индуктивность цепи к.з., зависящие как от места к.з. на локомотиве, так и от расстояния между локомотивом и подстанцией.

Наибольший ток к. з. возникает при непосредственной близости локомотива к подстанции, а на э. п. с. — при непосредственной близости места к. з. к действующему токоприемнику. В общем-то, это случайные величины. Решение уравнения (5.3) для тока

(5.4)

Эти величины при к. з. обычно являются случайными, их средние значения могут достигать: =10 12 кА; = А/с. При этом необходим аппарат высокого быстродействия, иначе придется отключать токи, равные.

График нарастания тока при к. з. и его отключения БВ (рис. 5.1) позволяет определить зависимость этого процесса от свойств аппарата. Если к. з. произошло при рабочем токе, то время достижения тока уставки определяется с учетом уравнения (5.3) как

— условное время нарастания тока к. з. от нуля до; —то же до —ток уставки, определяемый по уравнению (5.2).

Собственное время срабатывания аппарата t2 от момента достижения тока уставки до момента размыкания контактов при токе

. (5.6)

В дальнейшем изменение тока к. з. описывается нелинейным дифференциальным уравнением

где (— падение напря­жения в дуге, зависящее от ее длины.

Характер процесса при разомкнутых контактах, т. е. при t >, зависит от режима горения дуги, точнее от соотношения между. Так, при изменении тока от (время (5.8)

Это нежелательно, так как при увеличении t возрастает ток уставки аппарата. Для стабилизации уставки желательно, чтобы магнитный поток Ф" в правой части магнитопровода и зависящая от него э. д. с. путем шунтирования размагничивающей катушки. Это позволяет несколько снижать значение.

Рис. 5.4 Кривые поясняющие принцип гармонической аппроксимации (а) и расчетная схема (б):

- токи установившихся режимов; - токи при коротких замыканиях

Для анализа неустановившихся процессов в этом случае используем метод гармонической аппроксимации, заключающийся в том, что часть процесса нарастания тока рассматривают как 1/4 периода аппроксимирующей синусоиды (рис. 5.4, а) с амплитудой, периодом и угловой частотой.

При неустановившихся режимах можно рассматривать и рассчитывать систему переменного тока с параметрами, приведенными на рис. 5.4, б. Для установившихся режимов распределение токов в параллельных цепях размагничивающей катушки 1 и шунта 2 зависит от их активных сопротивлений:

Обычно принимают, что соответствует. Токи уставки (срабатывания) должны соответствовать току в размагничивающей катушке при. Для условий к. з.:

.

Полные сопротивления:

(5.9)

Уравнения (5.7)—(5.9) позволяют достаточно точно рассчитывать режимы, определяющие токи уставки при различных параметрах и частотах Рассмотрим лишь качественную сторону процессов. Обычно, что с точностью 3—4 % позволяет считать.

Обычно принимают; при этом, т. е. почти весь ток будет протекать через размагничивающую катушку и аппарат сработает при. В общем случае ток срабатывания зависит от.

Общий вид быстродействующего выключателя БВП-5, представленный на рис. 5.5, дает представление о конструктивной компоновке аппарата.

Работа выключателя и характеристики отключения к. з. в значительной мере определяются дугогасительной системой и особенно конструкцией дугогасительной камеры. Дугогасительная камера выключателя БВП-5 (рис. 5.6) лабиринтового типа, в нижней части имеет узкую щель, образованную асбестоцементной вставкой 5. Камера имеет две асбестоцементные стенки 4 с вклеенными в них перегородками 2. В ней установлена двухрядная, дугогасительная решетка 1 и расположены два рога 7, один

Рис. 5.5 Быстродействующий автоматический выключатель БВП – 5А:

1 – якорь; 2 – размагничивающий виток; 3 – удерживающая катушка; 4 – электромагнит; 5 – рама; 6 – изолированные стержни; 7 – угольники основания; 8 – индуктивный шунт; 9 – пневматический привод; 10 – блок контакты; 11 – пружина привода; 12 – контактные пружины; 13 – контактодержатель; 14 – основание; 15 – П – образные магнитопрод; 16 – катушка дугогашения; 17 – верные полосы; 18 – дугогасительная камера

из которых соединен с неподвижным контактом, а другой через стальной шарнир 6 — с рамой аппарата. Для закрепления пластин деионной решетки по внеш­нему контуру выхлопного отверстия установлен держатель 3. Уменьшение интенсивности удлинения дуги в конечной стадии дугогашения достигается снижением воздействия магнитного потока и увеличением зазоров в лабиринте. Общая длина дуги в камере может достигать 2 м.

На электропоездах постоянного тока устанавливают БВ типа БВП-105А, имеющий следующие данные: номинальное напряжение 3 кВ, предельный отключаемый ток 20 кА, ток уставки (600 ± 30) А, собственное время 3—5мс. Из-за жестких габаритных ограничений аппарат выполнен как два контактора, имеющие общий привод, и самостоятельные коммутационные и дугогасительные устройства, включенные последовательно в защищаемую цепь.

По принципу действия и основным свойствам магнитная система привода не отличается от аналогичных систем выключателей БВП-3 и БВП-5. В выключенном состоянии (рис. 5.7, а) контакты 4 и 5 разомкнуты, а контактодержатель 9 подвижного контакта 5 лежит на буферной опоре 6; раствор контактов (30 5) мм. Включение аппа­рата осуществляют, подавая напряжение на удерживающую катуш­ку и импульсно впуская сжатый воздух в диафрагменный пневмати­чески й привод 1. Ролик на конце штока привода через держатель контактов 9 поворачивает рычаг 2 якоря до тех пор, пока он не притянется электромагнитом (рис. 5.7, б). Однако после притяжения якоря контакты под действием пружины 8 замкнутся только после того, как прекратится нажатие на подвижную часть аппарата, создаваемое приводом 1. Выключается аппарат под действием пружины 8 при обесточивании удерживающей катушки 16 или размагничивающего витка 7. Регулировать уставку возможно, изменяя натяжение пружины 8, или с помощью винтов 3, изменяющих площадь сече­ния магнитопровода. Общий вид БВП-105А представлен на рис. 5.8.

В качестве примера БВ защелочного типа (рис. 5.9) рассмотрим один из выключателей, применяемых на электровозах серий ЧС постоянного тока. При включенном

аппарате подвижной силовой контакт 3 к неподвижному 4 прижимает мощная пружина 8 через тягу (защелку) 2, которая передает силу нажатия, захватывая своим уступом выступ 10 на контактодержателе 5 контакта 3.

Рис. 5.6 Дугогасительная камера БВП – 5А

Рис. 5.7. Кинематическая схема быстродействующего выключателя БВП-105А в различных положениях:

а - выключено; б — якорь притянут; в — включено

Пружина 1 на конце тяги 2 создает вертикальную составляющую этой силы, что способствует соприкосновению ее выступов по всей поверхности. Одновременно на контактодержатель 5 действует и выключающая пружина 9, но сила ее нажатия меньше силы, создаваемой пружиной 8.

Коленчатый рычаг 6, фиксирующий положение пружины 8, при включении поворачивается до упора пневматическим приводом 7. Отключение БВ как исполнительного аппарата происходит при выключении привода 7 и его отсоединением от рычага 6. При к.з. БВ срабатывает под воздействием обмотки 11, включенной в защищаемую цепь. Когда ток достигнет уставки, якорь 13 втягивается магнитной системой 12, преодолевая сопротивление пружины. Его толкатель 14 расцепляет защелку, поднимая тягу 2 вверх. При этом пружина 9 размыкает контакты 3 и 4.

Для включения аппарата вновь необходимо кратковременно выключить и отсоединить привод 7. Пружина 1 сдвинет тягу 2 так, что ее уступ окажется за выступом 10. При включении привода 7 вновь защелка сработает и замкнет контакты.

Главные выключатели э. п. с. переменного тока. В комплекте с проходным трансформатором тока эти выключатели используют как аппараты прямой защиты от токов к.з., а при других видах защиты и оперативных выключениях они служат лишь исполнительными аппаратами. Аппарат состоит из воздушного выключателя, т. е. выключателя с воздушной дугогасительной камерой, и ножевого разъединителя, связанного с выключателем пневматическим приводом.

Разъединитель замыкает высоковольтную цепь при замкнутых контактах выключателя, что позволяет без задержки выключать повторные к.з. При выключении размыкаются контакты выключателя, а затем с выдержкой времени, достаточной для гашения дуги, цепи локомотива разъединителем подключаются к заземлению.

Рис. 5.8 Схема (а) силовой цепи и конструкция быстродействующего выключателя БВП – 105А:

Рис.5.9. Защелочный быстродействующий автоматический выключатель

В качестве примера рассмотрим главный выключатель ВОВ-25-4М, имеющий следующие основные параметры: номинальные напряжение 25 кВ и ток 400 А; предельный ток отключения 10 кА при сквозном токе 25 кА; номинальное давление сжатого воздуха 0,9 МПа, минимальное — 0,6 МПа. Отключаемая мощность при давлении 0,6—0,9 МПа или при двукратном выключении без пополнения резервуара составляет 250 MB А. При давлении в пределах 0,5 - 0,6 МПа отключаемая мощность равна 125 MB А. Пределы тока уставки 200 —500 А, собственное время срабатывания 0,04 с при двукратном токе и 0,06 с при 1,3.

Дугогасительная камера (рис. 5.10) выключателя расположена внутри фарфорового изолятора 5 и укреплена на металлическом пе­реходном угольнике 7. Блок цилиндра 10 вместе с пружиной 11 поршня 9 и амортизатором 13, состоящим из набора резиновых шайб, закреплены болтами в угольнике 7 металлической крышкой с непод­вижным контактом 12 разъединителя.

Нормально контакты замкнуты и подвижной контакт 14, связанный контактодержателем 8 с поршнем 9, закрывает отверстие в неподвижном контакте 3. При поступлении сжатого воздуха в камеру поршень 9, преодолевая сопротивление пружины 11, перемещается в цилиндре 10, а контактодержатель 8 — в направляющей трубке 6, припаяной к цилиндру 10. Конец трубки 6 выполнен в виде контактных лепестков 4, подводящих ток к подвижному контакту. Перемещение контакта 14 на 25 мм вызывает образование дуги между его наконечником и ограничителем 16, наконечник которого выполнен из тугоплавкой металлокерамики. Одновременно в образовавшемся сопле возникает воздушный поток, гасящий дугу. Контакт 3 ввернут на резьбе в патрубок 15, укрепленный в фланце 2. Вместе с этим фланцем укреплена выхлопная камера 1. Ее выхлопное отверстие закрыто крышкой 17.

Статическое нажатие контактов 450 Н; кинетическая энергия выключения гасится амортизатором 13, выполненным в виде набора резиновых шайб.

Все остальные узлы аппарата (рис. 5.11) предусмотрены для обеспечения его сжатым воздухом, управления подачей воздуха в дугогасительную камеру и привод разъединителя, для согласования работы основных частей аппарата.

К этим узлам относятся резервуар 1 вместимостью 32 л, патрубок 2 для спуска воздуха и конденсата, штуцер 3 с обратным клапаном для соединения с источником сжатого воздуха, реле минимального давления 4, исключающее возможность использования аппарата при недопустимо низком давлении в резервуаре, штуцер 5 для манометра. Реле 4 отключает цепи управления выключением аппарата, если давление менее 0,5 МПа.

Рис 5.10. Дугогасительная камера главного выключателя ВОВ-25-4М

Рис.5.11. Принципиальная схема главного выключателя ВОВ – 25 -4М

В систему управления пневматикой входит главный клапан 30 и пружиной 29, находящийся в патрубке 28. Клапан соединен штоком 9 с поршнем 32, устанавливающим его положения. Клапан 30 имеет большое проходное сечение и предназначен для быстрого впуска сжатого воздуха в дугогасительную камеру 38 через патрубок 31 и проходной изолятор 37, имеющий наклон 45°.

Помимо клапана 30, сжатый воздух по каналу 10 поступает в блок управления пневматикой. Здесь он направляется клапаном 13 с электромагнитом 15 включающего типа на включение разъединителя. При возбуждении катушки электромагнита 15 по внутреннему каналу впускается сжатый воздух в правую камеру цилиндра 8 привода разъединителя, что вызывает перемещение поршня 11 влево. Его шток 22 тягой 17 и рычагом 18 поворачивает вал 35 изолятора разъединителя 42 на 60°; контактные ножи 40, разомкнувшись с заземляющим кронштейном, вновь соединяются с неподвижным контактом 39. При этом переключение разъединителя фиксирует доводящий пружинный механизм 45, рычаг 43 на валу 35 переключает блок-контакты 44, рычаг 25 через звенья 23 и 24 освобождает пружину 27 отключающего электромагнита 16, который теперь удерживается более слабыми пружинами 26. Во включенном состоянии разъединителя электрическая блокировка выключает электромагнит 15, подача сжатого воздуха в правую камеру цилиндра 8 прекращается.

На клапан отключения 14 могут воздействовать непосредственно электромагнит 16 и через рычаг 33 отключающий электромагнит переменного тока 36. При снятии напряжения с катушки электромагнита 16 освобождаются пружины 26 и воздействуют на клапан 14. То же происходит и при достаточном воздействии электромагнита 36, в результате чего по каналам 10, 21 и 34 открывается доступ сжатому воздуху под поршень 32, который открывает главный клапан 30.

Левая камера цилиндра 8 привода разъединителя постоянно соединена с патрубком 31, по которому подается сжатый воздух в дугогасительную камеру 38. Воздух проходит по каналу 19 через камеру промежуточного объема 6, клапан 7 и калиброванное отверстие диафрагмы 20. Такое замедленное заполнение левой камеры дает необходимое запаздывание срабатывания разъединителя на 0,03— 0,035 с. Поворот вала 35 при размыкании разъединителя вызывает через рычаг 25, звенья 23 и 24 растяжения заводной пружины 27, которая, преодолевая силу пружины 26, возвращает в исходное положение клапан 14. Сжатый воздух из-под поршня 32 выходит и клапан 30 закрывается, что вызывает замыкание контактов дугогасительной камеры в обесточенном состоянии: силовая цепь уже разомкнута разъединителем.

Главный выключатель (рис. 5.12) включается в силовую цепь проводами или шинами, которые крепят к фланцу выхлопной камеры и выводу 41 (см. рис. 5.11) разъединителя 6. Все токоведущие, высоковольтные части, как и устройства пневматики выключателя, расположены над крышей локомотива; устройства цепей управления находятся в кузове.

В комплект главного выключателя входит проходной трансформатор тока (рис. 5.13), имеющий коэффициент трансформации 1б±0,5. Через него подается высокое напряжение на силовой трансформатор. Его первичная обмотка, выполненная в виде медного стержня, располагается в фарфоровом изоляторе 1, скрепленном цементом с полуфланцами 2, а нижним фланцем 3 — с сердечником 4, на который намотана вторичная обмотка 5, изолированная от корпуса прокладками 6. Трансформатор крепят на крыше, применяя уплотняющую прокладку 7.

Большой интерес представляет использование вакуумных выключателей в качестве главных. Они при сравнительно невысоких массогабаритных показателях обладают достаточным быстродействием, значительной долговечностью, не имеют внешнего выхлопа и не создают ионизации окружающего пространства. В глубоком вакууме ствол дуги формируется только в парах материала электродов, которые быстро охлаждаются и рассеиваются. Восстанавливающаяся диэлектрическая прочность (см. рис. 3.13) значительно выше, чем для газовой среды. Это позволяет гасить дугу в вакуумных выключателях в течение одного-двух полупериодов.

Основной частью такого выключателя является его вакуумная камера (рис. 5.14). Она образована двухсекционным изоляционным стаканом 1, приваренным к металлическим фланцам 3 и 13. На них укреплены неподвижный 10 и подвижной 9 контакты. Контактодержатель 4 подвижного контакта выведен из камеры через стальной сильфон 5, а неподвижный контакт 11 укреплен глухо на нижнем фланце 13. В нормальном состоянии контакты замкнуты, так как окружающий воздух давит на сильфон 5. Чтобы частички распыленного металла не оседали на изоляционных стенках, контакты окружены защитными экранами 7 и 2, которые находятся под потенциалом подвижного контакта и защищают сильфон 5 от воздействия дуги. Экран 12 имеет потенциал неподвижного контакта, экран 8 нейтрален.

Для повышения герметичности камеру при изготовлении подвергают специальной термической обработке; откачивают воздух через патрубок 6 до разрежения Па и запаивают этот патрубок. При работе выключателя уровень вакуума не изменяется, что обеспечивает высокую долговечность камеры. Контакты 9 и 10 изготовляют из мевибора (медь, висмут, бор), ему свойственны импульсное образование катодного пятна и высокий градиент падения напряжения в дуге.

Рис. 5.12 Главный выключать ВОА – 25 – 4М

1 – фланец выхлопной камеры; 2 – изолятор камеры; 3 – неподвижный контакт разъединителя; 4 – кронштейн заземления; 5 – разъединителя; 6 – вывод разъединителя; 7 – изолятор разъединителя; 8 – уплотнение; 9 – воздушный патрубок; 10 – корпус; 11 – спускная трубка; 12 – резервуар; 13 – патрубок; 14 - изолятор

Рис. 5.13. Трансформатор тока электровоза

Дуга быстро вытесняется на боковые поверхности контактов и движется по их наружным поверхностям. Все это, а также специальная форма контактов позволяют избежать повреждения контактных поверхностей дугой и ускоряют ее гашение. Быстрое нарастание восстанавливающейся прочности и ряд других показателей позволяют предположить, что вакуумные выключатели можно использовать на э. п. с. не только переменного, но и постоянного тока.