Автоматические воздушные выключатели

Автоматические воздушные выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения электрической цепи при возникновении в ней перегрузки, короткого замыкания, снижении напряжения ниже установленного значения, изменении направления передачи энергии. Они применяются также в качестве коммутирующих аппаратов ручного управления для нечастых включений и отключений потребителей электрической энергии, например, электродвигателей небольшой мощности. «Воздушными» автоматические выключатели называют потому, что гашение электрической дуги на коммутирующем контакте происходит в воздушной среде. Узел защиты с автоматическим выключателем (АВ) рассмотрен в п. 5.1, рис. 5.1а.

В зависимости от типа АВ может выполнять одну или несколько функций защиты. Например, установочный автомат в большинстве исполнений защищает электрическую цепь от короткого замыкания и от перегрузки. Для этого в нем предусмотрены воспринимающие элементы – расцепители, аналогичные по принципу действия воспринимающим элементам электромагнитного реле максимального тока и электротеплового реле. Автомат, защищающий электрическую цепь от чрезмерного снижения напряжения, имеет рацепитель, подобный воспринимающему элементу электромагнитного реле минимального напряжения.

Максимальный расцепитель (реагирующий на ток короткого замыкания) и минимальный расцепитель (реагирующий на снижение напряжения) по существу представляет собой электромагнитный механизм (см. [1], п. 4.1) с якорем, втягивающимся в катушку под действием электромагнитной силы тяги. Якорь воздействует на защелку механической передачи (см. [1], п. 3.2), которую (МП) называют механизмом свободного расцепления. Для этого механизма предусматривают также ручной привод, чтобы человек мог осуществлять включение и выключение автомата.

В автоматических выключателях, выполняющих функцию защиты от изменения направления передачи энергии (от «обратного тока», от «обратной мощности») есть независимый расцепитель, выполненный как электромагнитный механизм. В некоторых автоматах используются расцепители, работающие по принципу электродинамического преобразователя (см. [1], п. 3.4.), а также полупроводниковые расцепители.

Автоматический воздушный выключатель с несколькими видами защит представлен структурной схемой на рис. 5.7.

Автоматический воздушный выключатель (АВВ) воздействует на контролируемую им электрическую цепь (ЭЦК) коммутирующим контактом (КК), изменяя сопротивление (R_K) цепи. При разомкнутом КК приемник электрической энергии (ПЭЭ) отключен от питания со стороны источника электрической энергии (ИЭЭ). Количество коммутирующих (главных) контактов может быть от одного до трех. В контактной системе предусматривают устройства гашения электрической дуги, обычно, дугогасительные решетки (см. [1], п. 2.8). В некоторых автоматах устанавливают дополнительные дугогасительные контакты, и могут быть предусмотрены вспомогательные контакты для коммутации слаботочных цепей сигнализации и управления.

В зависимости от типа автомата его узел расцепителей (УР) состоит из определенной комбинации расцепителей из следующего состава:

Р1 – расцепитель минимального напряжения U (минимальный расцепитель, реагирующий на снижение напряжения);

Р2 – расцепитель максимального тока I (максимальный расцепитель, реагирующий на ток короткого замыкания);

Р3 –независимый расцепитель, на который подается сигнал U_нпэ, несущий информацию, например, об изменении направления передачи энергии в цепи ЭЦП;

РТ – расцепитель тока перегрузки (тепловой расцепитель, реагирующий на ток пергрузки).

Узел УР установочного автомата с комбинированным расцепителем состоит из расцепителей Р2 и РТ. Универсальный автомат имеет расцепители Р1, Р2. В зависимости от назначения и по составу узла расцепителей выделяют также максимальные автоматы по току, минимальные автоматы по току, максимальные автоматы, реагирующие на производную тока по времени, и др. [9]. Для построения селективно действующей защиты в АВ предусматривают возможность регулировки тока и времени срабатывания.

Каждый из расцепителей независимо воздействует на механизм свободного расцепления (МСР), снимая упор с защелки механической передачи (см. [1] п. 3.2). Это приводит к размыканию коммутирующих контактов КК. Поэтому отключение поврежденного участка электрической цепи ЭЦК и приемника ПЭЭ произойдет тогда, когда хотя бы один из контролируемых параметров цепи ЭЦК выйдет за пределы области допустимых значений, определенной соответствующими уставками расцепителей. Включение автомата для замыкания электрической цепи ЭЦК и отключение автомата для размыкания цепи производится человеком воздействиями х_вкл и х_отк на рычажный или кнопочный орган ручного управления (ОрУ) автомата (рис. 5.7).

На рис. 5.8а приведена электрическая схема, иллюстрирующая подключение установочного автомата к трехфазной сети и его условное обозначение на схеме. Действие автомата (QF) при автоматическом отключении двигателя (М) комбинированным расцепителем максимального тока и тока перегрузки представляют с помощью времятоковой характеристики, которую приводят в паспорте автомата. Типовой вид времятоковой (защитной) характеристики установочного автомата с комбинированным расцепителем изображен на рис. 5.8б.

Участок a-b времятоковой характеристики создается электротепловым расцепителем, выполняющим функцию защиты по току перегрузки при I >I_РТ, где I_РТ - уставка тока срабатывания электротеплового расцепителя (при t_ср >> Т_Р – см. п. 5.3). Участок c-d обусловлен действием электромагнитного расцепителя максимального тока. Время срабатывания τ_ср автоматического выключателя от электромагнитного расцепителя практически не зависит от силы тока I, если сила тока превышает уставку I_РЭМ электромагнитного расцепителя.

В зависимости от быстродействия выделяют: 1) нормальные автоматы, собственное время срабатывания которых составляет 0,02…0,1 с; 2) селективные автоматы, обеспечивающие выдержку на отключение до 1 с; 3) быстродействующие автоматы, время срабатывания которых составляет тысячные доли секунды.

Автоматы выпускаются на переменные напряжения от 220 до 660 В и постоянные напряжения от 110 до 440 В. Наибольшее применение получили автоматы следующих серий:

АЗ000 – наиболее распространенная серия. Рассчитаны на переменные напряжения 380, 660 В, постоянные напряжения до 440 В. Отключаемые токи (коммутационная способность) до 60 кА.

АЕ1000, АЕ2000 - для защиты цепей и электроприемников от перегрузки и коротких замыканий. Напряжения: переменные 380, 660 В, постоянные 110, 220 В. Отключаемые токи от 1 до 10 кА.

«Электрон» - для установки в распределительных устройствах на постоянное напряжение до 440 В и переменное до 660 В. Отключаемый ток от 50 до 160 кА.

Автоматические воздушные выключатели серии АП-50 применяют на напряжение до 500 В переменного тока и до 220 В постоянного тока. Ручной привод имеет две кнопки – одну на включение, другую на отключение автомата. Выключатель имеет электромагнитный расцепитель и электротепловой расцепитель. Номинальный ток расцепителей до 50 А. Уставку электротеплового расцепителя можно регулировать на 30…40% в сторону уменьшения относительно номинального тока.

Автоматы выбирают по числу полюсов, по номинальным значениям тока и напряжения. Номинальные значения напряжения U_Нав и тока I_Нав автомата по отношению к номинальному значению напряжения сети U_Нсети и номинальному току нагрузки (двигателя) I_Ндв должны удовлетворять следующим условиям:

U_Нав ≥ U_Нсети, I_Нав ≥ I_Ндв.

Уставки I_РТ, I_РЭМ токов для защиты двигателя электропривода обычно определяют следующим образом:

для электротеплового расцепителя (защита от перегрузки) – по номинальному току двигателя I_Ндв,

I_РТ≥ (1,2…1,4) I_Ндв;

для электромагнитного расцепителя (защита от короткого замыкания) – по наибольшему значению тока какого-либо переходного процесса I_пер (пуск, реверс, торможение),

I_РЭМ ≥ (1,5…2,0) I_пер.

Предельный ток отключения автомата должен быть не менее возможного тока короткого замыкания в цепи.

Устройства защиты двигателя мотор-автоматы (серии MS, GV, отечественных аналогов пока нет) с комбинированным расцепителем специально разработаны для применения в цепях защиты электродвигателей. Они имеют некоторые особенности:

• выпускаются только в трехполюсном исполнении;

• рассчитаны на номинальные токи от 16 до 100 А;

• номинальный ток двигателя устанавливается на автомате (серии GV) с помощью регулироволчного диска;

• имеют точную подстройку теплового расцепителя;

• уставка электромагнитного расцепителя составляет, как правило,

(12 … 14) I_Нав, что соответствует работе автомата на индуктивную нагрузку (режим пуска АС-3);

• выключатели имеют высокую электродинамическую стойкость – до 100 кА;

• выключатели имеют на корпусе рычаг или кнопки ручного включения и отключения нагрузки;

• конструкция корпуса позволяет объединить в единый компактный блок автомат и согласованный с ним по габаритам пускатель;

• выключатели имеют либо встроенные, либо навесные быстромонтируемые дополнительные контакты, срабатывающие при перегрузках и короткихзамыканиях;

• глубина защиты электродвигателя может быть повышена за счет отдельно поставляемых быстромонтируемых элементов – независимого расцепителя и реле минимального напряжения.