Автоматические воздушные выключатели

Автоматические воздушные выключатели

 

Автоматы служат для автоматического отключения электрических цепей при перегрузках, к.з., чрезмерном понижении напряжения питания, изменения направления мощности, а также для редких включений и отключений вручную номинальных токов нагрузки. Является основным защитным аппаратом.

К ним предъявляется  требования:

1. Токоведущая цепь автомата должна пропускать номинальный ток сколь угодно длительное время. Она может подвергать воздействию больших токов к.з. как при замкнутых контактах, так и при включении на существующее к.з.

2. Автомат должен обеспечивать многократное отключение предельных токов к.з., которые могут достигать сотен килоампер. После отключения этих токов автомат должен быть пригоден для длительного пропускания номинального тока.

3. Автоматы должны иметь малое время отключения.

4. Элементы защиты автомата должны обеспечивать необходимые токи и времена срабатывания и селективность.

В зависимости от вида воздействующей величины автоматы делятся на максимальные автоматы по току, минимальные автоматы по току, min автоматы по напряжению, автоматы обратного тока, max автоматы, работающие по производной тока, поляризованные max автоматы (отключаются при нарастании тока в одном – прямом направлении) и неполяризованные, реагирующие на возрастание тока в любом направлении.

Для построения селективно действующей защиты автоматы должны иметь регулировку тока и времени  срабатывания. В некоторых случаях  требуется комбинированная защита max по току и min по напряжению. Такие автоматы называются универсальными.

Автоматы общепромышленного  и бытового применения обычно имеют лишь max токовою защиту, отрегулированную на заводе.

В эксплуатации характеристики автомата не могут быть изменены. Для уменьшения возможности соприкосновения персонала с деталями, находящимися под напряжением, эти автоматы закрыты пластмассовым кожухом и практически не выбрасывают дугу. Такие автоматы называются установочными.

Они изготовляются на номинальные токи 50-600 А. Автомат на 200 А имеет катушку минимального напряжения 380 В, позволяет регулировать термическую защиту 150-200 А и 800-2000 А - max защиту.

В любом автомате есть основные узлы: токоведущая цепь; дугогасительная система; привод автомата; механизм автомата; механизм свободного расцепления и элементы защиты – расцепителя.

В автомате на ток более 200 А токоведущая цепь имеет главные и дугогасительные контакты.

Включение автомата может производиться вручную рукояткой или электромагнитом.

Отключение может производиться рукояткой или с помощью тепловых и электромагнитных расцепителей.

Основными параметрами  автомата является:

- собственное и полное время отключения;

- номинальный длительный ток;

- номинальное напряжение;

- предельный ток отключения.

Под собственным временем отключения автомата понимают время от момента, когда ток достигает значения тока срабатывания I_ср, до начала расхождения его контактов.

После расхождения контактов возникающая электрическая дуга должна быть погашена за наименьшее время с перенапряжением, не представляющим опасности для остального оборудования.

Собственное время отключения автомата зависит от способа расцепления, конструкции контактов, массы подвижных частей и других факторов.

Iср. - ток срабатывания Iк.з.уст – установившийся ток к.з.

Если t1 ≥ 0,01 сек, то автомат называется обыкновенным небыстро-действующим. В этом случае к моменту размыкания контактов цепи ток достигает установившегося значе-ния Iк.з.уст. Такой автомат не обеспе-чивает токоограничения и его кон-тактами отключается установившийся ток к.з. В быстродействующих  автома-тах время t1 сокращается до 0,002-0,008 с и к моменту расхождения контактов ток не достигает установившегося значения. Такой автомат, как правило, отключает ток значительно меньший установившегося тока к.з. Благодаря этому облегчается работа самого автомата, уменьшается термические и динамические нагрузки аппаратуры и оборудования. С увели-чением скорости возрастания тока, эффект токоограничения уменьшается так как к моменту расхождения контактов ток достигает больших значений.

Для получения токоограничения  в этих случаях в автоматах применяются устройства, реагирующие не на ток, а на скорость его нарастания.

Время t₀ зависит от уставки по току срабатывания и скорости нарастания тока, которая определяется параметрами цепи к.з;

t₁ - момент размыкания контактов.

Это время тратится на работу механизма  расцепления, выбор провала контактов  и является собственным временем отключения автомата.

После расхождения контактов дуга гаснет за время t₂.

Время равное t_откл = t₀ + t₁ + t₂, является полным временем отключения автомата.

 

Токоведущая цепь автомата

 

Наиболее важной частью является контакты. При номинальных токах до 200 А применяется одна пара контактов, которая для увеличения дугостойкости могут быть облицованы металлокерамикой. При токах более 200 А применяется двухступенчатые контакты типа перекатывающегося контакта. Основные контакты облицовываются серебром либо металлокерамикой (серебро, никель, графит).

В автоматах на большие номинальные  токи применяется несколько параллельных пар главных контактов.

В быстродействующих автоматах с целью уменьшения собственного времени применяются исключительно торцевые контакты, имеющие малый провал. Медные контакты по поверхности касания подвергаются серебрению.

В настоящее время проводятся работы по созданию искусственного жидкостного  охлаждения контактов. Такое решение позволяет сохранить малую массу и быстродействие автомата увеличить длительный ток с 2,5 до 10 кА.

 

Дугогасительная система

 

В автоматах применяется полузакрытое и открытое исполнение дугогасительных устройств.

Полузакрытое исполнение применяется в установочных и универсальных автоматах, автоматах с ручным управлением. Предельный отключаемый ток не превышает 50 кА. Зона выброса ограничена. Исключено избыточное давление.

В быстродействующих автоматах и автоматах наибольшие предельные токи (100 кА и выше) или большие напряжения (выше 1000 В) применяется дугогасительные устройства открытого исполнения с большой зоной выброса.

В установочных и универсальных автоматах массового применения широко используется деионизационная дугогасительная решетка из стальных пластин. Поскольку автоматы предназначены как для переменного, так и постоянного тока, число пластин выбирается из условия отключения цепи постоянного тока.

На каждую пару пластин  должно приходиться напряжение не более 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 U до 440 В и отключаемых токах до 55 кА.

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

 

Приводы и механизмы универсальных и установочных автоматов

 

Приводы – должны обеспечить усилие на контактах необходимое для включения автомата в самом тяжелом режиме- на существующее к.з.

Они могут быть ручные и электромеханические.

Ручные  приводы применяются при номинальных токах до 200 А. При токах до 1 кА применяется электромагнитные приводы. Недостатками электромагнитного привода являются большие скорости движения и удары в механизме, которые могут приводить к вибрации контактов.

Обычно электромагнитные привод автомата питается от той же сети, что и нагрузка. Напряжение на приводе в момент включения на существующее к.з падает до нуля, и автомат может не включиться. В приводе независимого действия энергия, необходимая для включения, накапливается в заведенной пружине. После подачи команды на включение освобождается удерживающая защелка пружины и автомат включается при любых напряжениях сети.

При ручном включении  привод независимого действия можно  получить, если использовать принцип  прыгающего контакта.

В автоматах на токи 1500 А и выше желательно применение электропривода. Электродвигатель соединен с автоматом через понижающую зубчатую передачу. Даже при потере напряжения кинетической энергии, накопленной в быстровращающемся роторе двигателя, бывает достаточной, чтобы закончить процесс включения.

Достоинствами этого привода являются плавный ход механизма и отсутствие ударов.

Механизм  передачи усилия от привода к контактам выполняет следующие функции:

- передает движение от привода к контактам и удерживает их во включенном положении;

- освобождает контакты при отключении автомата;

- сообщает контактам скорость, необходимую для гашения дуги;

- фиксирует контакты в отключенном положении и подготавливает автомат для нового включения.

Механизмы управления обеспечивают мгновенное замыкание и размыкание контактов с постоянной скоростью, независящей от скорости движения рукоятки. Обычно при включенном состоянии автомата рукоятка занимает верхнее положение, при отключении вручную – нижнее, при автоматическом отключении – промежуточное.

 

Расцепители автоматов

 

Отключение автоматов происходит под действием на механизм свободного расцепления элементов защиты – расцепителей. Наиболее распространены максимальные расцепители, в которых широко используются электромагнитные системы и тепловые системы с биметаллической пластиной. Расцепители max тока расположены в нижней части автомата и состоят из двух элементов: токового, срабатывающего с обратной зависимостью от силы тока, выдержкой времени и электромагнитного, действующего мгновенно.

До момента воздействия на механизм свободного расцепления якорь расцепителя обычно преодолевает значительный свободный ход (5-10 мм). Расцепление происходит за счет удара, в котором основную роль играет кинетическая энергия якоря, накопленная при его движении.

Обмотке электромагнита расцепителя включена последовательно с нагрузкой. Регулирование тока срабатывания может производиться за счет натяжения противодействующей пружины расцепителя или изменением числа витков обмотки.

Электромагнитный расцепитель работает при к.з., тепловой – при перегрузках. Последние применяются при токах до 200 А, так как с ростом отключаемого тока растет усилие, необходимое для расцепления автомата.

Для дистанционного отключения автомата устанавливается независимый электромагнитный расцепитель, электромагнит которого может быть как постоянного, так и переменного тока. Обмотка электромагнита рассчитывается на кратковременный режим работы.

Номинальное напряжение расцепителя берется не выше 220 В. Если источник питания имеет более высокое напряжение, то ставится добавочный резистор.

Минимальный расцепитель выполняется током электромагнитного типа. Для разрыва цепи катушки в отключенном положении она питается через замыкающий вспомогательный контакт. Он при включении замыкается раньше главных контактов. Благодаря этому механизм подготавливается к работе в процессе самого включения.

Напряжение  отпускания электромагнита регулируется в пределах 35-75 % номинального. При напряжении, меньшем напряжении уставки, пружина открывает якорь и воздействует на механизм свободного расцепления.

Минимальный расцепитель может использоваться для дистанционного отключения, если последовательно с ним включить кнопку с размыкающим контактом.

 

 

Автомат 3700 –   Iн = 160-630 А при U~ до 660 В, при U= до 440 В Iк.з.max по амплитуде = 200 кА

универсальный, могут быть токоограничиваю-щими и селективными. Гашение дуги с помощью дугогаси-тельных решеток. Полное время срабатывания токоогра-ничивающего автомата 10-15 мс.

В селективных автоматах  используется электродинамический  компенсатор. Бывает с дистанционным расцепителем.

Автомат серии  «Электрон» Iн = 250-4000 А

– имеются главные и дугогасительные контакты – дистанционный расцепитель.

Быстродействующие автоматы – универсальные серии ВАБ-28 на номинальные токи от 1,5 до 6 кА, напряжением от 825 до 3300 В. Имеет электромагнит постоянного тока.

 

Выбор автоматов

 

- Номинальные значения  напряжения U_н.а. и тока I_н.а. автомата, тока нагрузки I_н.н. и напряжения сети U_н.с. должны удовлетворять соотношением

; .

- Для автоматов защиты двигателей, работающих в ПКР номинальный ток электромагнитного расцепителя принимается равным току двигателя в режиме ПВ = 25 %.

- Для автоматов защиты  АД с к.з. ротором ток уставки  электромагнитного расцепителя

.

- Для АД с фазным ротором

.

- Для группы АД с  к.з. ротором

.

- Для группы АД с  фазным ротором

,

где - ток двигателя с наибольшим пусковым током.

- Для двигателей, работающих в тяжелом и ПКР, номинальный ток теплового или комбинированного расцепителя

.

- Выбор по току к.з.

для автоматов с электромагнитным расцепителем

для автоматов с комбинированным  расцепителем

.

Предельный ток отключения автомата I_{отк.авт.} должен быть не менее тока I_к.

 

Автоматические  воздушные выключатели серии  А-3100 и А-3700

 

Тип	Номи-наль-ный ток, А	Напря-жение, В	Число полю-сов	Расцепитель		Ток уставки, А	Предельный ток отключения		Время отклю-чения, с
				тепло-вой	электро-маг-нитный		пост.	перем.
А3160	50	110, 120	1, 2, 3	есть	нет	15-20	1,6-3,6	2,5-4,5	0,025
А3110	100	220	2, 3	нет	есть	15-100	5	2,5-10	0,015
А3120	200	220	2, 3	нет	есть	15-100	20	18	-
А3130	200	220	2, 3	нет	есть	100-200	17-28	14-25	0,015
А3710Б- А3740Б	160-130	440, 660	2, 3	есть	есть	-	110	45-60	-
А3140	600	220	2, 3	нет	есть	250-600	25-50	32-40	0,03
А3710Ф- А3730Ф	160-630	220, 380	2, 3	есть	есть	-	25-50	25-50	-

 

Автоматы А3710Б-А3740Б  токоограничивающие с полупроводни-ковыми или электромагнитными расцепителями. Автоматы А3710Ф-А3730Ф нетокоограничивающие с электромагнитным и тепловым расцепителями.

 

Предел  прочности s_см различных металлов на смятие

Медь твердая	520 МПа	Цинк	430 МПа
Медь мягкая	390 МПа	Олово	45 МПа
Алюминий отожженый	110 МПа	Свинец	23 МПа
Алюминий твердотянутый	150 МПа	Молебден	1690 МПа
Золото	530 МПа	Серебро	340 МПа
Платина	780 МПа

 

Номинальные напряжения контактов, В

Узел аппарата	Вид тока
	постоянный	переменный
Главные цепи	220, 440	380, 660, 1140
Втягивающая обмотка	24, 48, 60, 110, 220, 440	24, 42, 110, (127), 220, 230, 240, 380, 400, 415, (500), 660 при частоте 50 Гц
Вспомогательные контакты	От 24 до 440	От 24 до 660

 

 

 

Технические параметры  магнитных пускателей

Параметр	ПМЕ-600	ПМЕ-100	ПМЕ-200	ПМЕ-300	ПМЕ-400	ПМЕ-500
Номинальный ток при напряжении 380/500 В, А	146/80	10/6	25/14	40/21	63/35	110/61
Предельный выключаемый ток при напряжении 380 В и cosj = 0,4; А	1500	100	280	400	630	1000
Номинальная мощность обмотки, Вт	38	6	8	17	20	26
Пусковая мощность обмотки, Вт	3400	130	160	260	465	800
Тепловое реле	ТРП-160	-	ТРН-25	ТПН-40	ТРП-60	ТРП-150
Раствор контактов, мм	4	2,5	3	3	3,5	3,5
Начальное нажатие на контактный мостик, Н	50	2	4,6	13	18	33
Коммутационная износостойкость	106	-	106	106	106	106

 

Автоматические  выключатели

ВА 04-36; ВА 06-36	Iн = 250 А; U~ = 380 В; U= = 220 В Iуст. max тепл. = 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 60; 80; 100; 125; 160; 200; 250 А Iуст. max ток = 750; 1000; 1250; 1500; 2000; 2500; 3000 А
ВА 50-43; ВА 55-43	Iн = 1600 А; U~ = 660 В; U= = 440 В
ВА 51-39; ВА 52-39	Iн = 630 А; U~ = 660 В; U= = 220 В – 440 В Iуст. max тепл. = 160; 250; 320; 400; 500; 630 А Iуст. max ток = 2500; 3200; 4000; 5000; 6300 А
А3791В 2 полюса А3792Б 3 полюса	Iн = 630 А; U~ = 660 В; U= = 440 В
А3793В 2 полюса А3794Б 3 полюса	Iн = 250; 400; 630 А; U~ = 660 В; U= = 440 В
А3793С 2 полюса А3794С 3 полюса	Iн = 250; 400; 630 А; U~ = 660 В; U= = 440 В
А3797С 2 полюса А3798Б 3 полюса	Iн = 630 А; U~ = 660 В; U= = 440 В
А3791У А3792У	Iн = 630 А; U~ = 660 В; U= = 440 В
ВА 52-41	Iн = 630; 1000 А; U~ = 660 В; U= = 440 В
ВА 53-41	Iн = 250; 400; 630 А; U~ = 660 В; U= = 440 В
ВА 55-41	Iн = 250; 400; 630 А
ВА 56-41	Iн = 630; 1000 А
АВ2М4Н	Iн = 160; 250 А; U~ = 500 В; U= = 440 В
АВ2М4С	Iн = 400; 630 А; U~ = 500 В; U= = 440 В
АВ2М10Н	Iн = 630 А; U~ = 500 В; U= = 440 В
АВ2М10С	Iн = 800; 1000 А; U~ = 500 В; U= = 440 В
АВ2М15Н	Iн = 1000; 1200 А; U~ = 500 В; U= = 440 В
АВ2М15С	Iн = 1500 А; U~ = 500 В; U= = 440 В
АВ2М20Н	Iн = 1000; 1500 А; U~ = 500 В; U= = 440 В
АВ2М20С	Iн = 2000 А; U~ = 500 В; U= = 440 В

 

Электрон

Э06С	Iн = 1000 А	U~ = 660 В
Э06В	Iн = 1000 А	U= = 440 В
Э16В	Iн = 1600 А
Э25В	Iн = 2500 А
Э25С	Iн = 4000 А
Э40В	Iн = 5000 А
Э40С	Iн = 6300 А

 

Выбор автоматического выключателя

 

- для АД с к.з. ротором.

- для АД с фазовым ротором,  ДПТ.

- для схем управления.

- для теплового реле.

 

Виды защит в электрических цепях

 

При нарушении нормального режима работы электропривода для исключения выхода из строя электрооборудования и повышения надежности работы схемы в них применяется электрическая защита.

В схемах электропривода применяется следующие виды защит:

- нулевая;

- максимально-токовая;

- минимальная токовая;

- тепловая;

- специальные.

Нулевая защита обеспечивает защиту от самозапуска двигателей при чрезмерном понижении или кратковременном исчезновении питающего напряжении сети.

Защита осуществляется линейными контакторами переменного  тока и магнитными пускателями и автоматическими выключателями.

При управлении от командоаппарата применяют реле защиты по напряжению.

 

Рис. Узлы схем нулевой  защиты двигателей переменного и  постоянного тока с помощью линейных контакторов (а) и реле напряжения (б-г)

Рис. Узлы схем нулевой  защиты двигателей переменного (а) и постоянного (б) тока с помощью автоматического выключателя QF с минимальным расцеплением

 

 

Максимально-токовая  защита – от к.з.

Осуществляется плавкими предохранителями, максимальными токовыми реле, автоматическими выключателями.

Рис. Узлы схем максимально-токовой  защиты двигателей переменного (а) и постоянного (б) тока, а также цепей схемы управления (в), осуществляемой плавкими предохранителями

Рис. Узлы схем максимально-токовой  защиты двигателей переменного (а) и постоянного (б) тока и схемы управления (в), осуществляемой автоматическими выключателями с максимально-токовым расцепителем

 

 

Тепловая защита – защита от перегрузок.

Осуществляется электротепловыми реле, максимально-токовыми реле и автоматическими  выключателями с тепловыми расцепителями.

Защита действует на отключения двигателя от питающей сети и при последующем включении требует вмешательства оператора.

Рис. Узлы схем тепловой защиты двигателей переменного (а, б) и постоянного (в) тока, осуществляемой тепловыми реле FR с воздействием на линейный контактор (г) и реле напряжения (д)

 

При работе в ПКР, когда  характеристики нагрева реле и двигателя различны, его защиту от перегрузок следует осуществлять с помощью максимально-токовых реле. Ток уставок реле применяется в зависимости от допустимой перегрузки двигателя по отношению к номинальному току двигателя.

I_уст = (1,2 – 1,3) I_ном.дв.

Часто такую защиту используют для защиты АД от перегрузок и работе на двух фазах, тогда ток реле принимается  из условия

I_2ф > I_у > I_зф,

где I_2ф, I_3ф – ток двигателя при работе на двух и трех фазах

Так как ток уставки ниже пусковых токов, то на время пуска контакты реле тока шунтируются контактами реле времени КТ.

Рис. Узлы схем включения  контактов тепловой защиты, осуществляемой максимально-токовыми реле FA1 и FA2 при повторно-кратковременном режиме работы двигателя	Рис. Узлы схем тепловой защиты двигателей переменного (а) и пос-тоянного (б) тока, осуществляемой автоматическими выключателями с тепловым расцепителем

 

Позисторная защита

 

Тепловая защита, реагирующая  непосредственно на температуру защищаемого объекта. При этом датчики температуры устанавливаются на обмотке двигателя. В качестве датчиков температуры применяют термисторы и позисторы.

Термисторы – резисторы с отри-цательным ТКС. С увеличением темпе-ратуры сопротивление уменьшается, что используется для схемы отключения двигателя. Для увеличения крутизны зависимости сопротивления от темпера-туры термисторы, вклеенные на три фазы включают параллельно. Позистор – нелинейный резистор с положительным ТКС. При достижении определенной температуры q сопротив-ление позистора скачкообразно увеличи-вается на несколько порядков. Для усиле-

ния этого эффекта  позисторы разных фаз соединяются параллельно.