Автоматический воздушный выключатель (автомат) — это аппарат, предназначенный для автоматического размыкания электрических цепей или отключения электроустановки при возникновении в них токов перегрузки и короткого замыкания, а также при недопустимом снижении или полном исчезновении напряжения. Воздушным называют выключатель потому, что электрическая дуга, возникающая между его контактами в момент отключения, гасится в среде окружающего воздуха. Основными частями выключателей (рис. 14.7) являются контактная система, дугогасительное устройство и механизм свободного расцепления.
Коммутационный электромагнитный аппарат, предназначенный для дистанционных включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы, называют контактором. В электроустановках промышленных предприятий широко распространены электромагнитные контакторы, которые являются основными силовыми аппаратами современных схем автоматизированного привода. Их выпускают для работы в электрических установках переменного и постоянного тока. В электроустановках трехфазного переменного тока применяют трехполюсные контакторы, состоящие из электромагнитной, контактной и дугогасительной систем (рис. 14.8).
Комбинированный аппарат дистанционного управления, состоящий из контактора, дополненного тепловым реле, и сочетающий функции аппаратов управления и защиты, называют магнитным пускателем. В качестве аппарата управления он применяется, например, для пуска, остановки и изменения (реверсирования) направления вращения электродвигателя, а в качестве аппарата защиты — отключает электродвигатель или электроустановку при недопустимых перегрузках и коротких замыканиях, а также при определенном снижении или полном исчезновении напряжения (нулевая защита).
Рис.14.7. Устройство автоматического выключателя:
1-шинки; 2,3-дугогасительные и главные контакты; 4-гибкая связь; 5-биометаллический расцепитель; 6-резистор; 7-нагреватель;
8,9,10-максимальный, минимальный и независимый расцепители; 11-механическая связь с расцепителем; 12-рукоятка ручного включения; 13-электромагнитный привод; 14,15-рычаги механизма свободного расцепления; 16-контактный рычаг; 17-отключающая пружина;
18-дугогасительная камера
Рис. 14.8. Контактор переменного тока КТ-6000
Особое место среди коммутационной аппаратуры занимают выключатели на напряжения выше 1000 В. Они являются основными аппаратами в электрических установках, служат для включения и отключения электрических цепей в любых режимах работы, наиболее сложными из которых является отключение токов КЗ и включение выключателя на существующее КЗ. Возникающую при размыкании контактов дугу можно погасить, используя трансформаторное масло, газы, газовое дутье, вакуум, а также специальные дугогасительные устройства.
При гашении дуги в масле контакты выключателя помещают в камеру, наполненную трансформаторным маслом. Гашение дуги в газах высокого давления происходит в компактных дугогасительных камерах с помощью сжатого воздуха или элегаза (шестифтористая сера SF6), обладающего высокой электрической прочностью и дуго-гасящей способностью. При газовом автодутье для охлаждения дуги используют направленное движение газов вдоль или поперек нее. Иногда применяют дутье холодным воздухом из специальных баллонов (воздушные выключатели). При гашении дуги в вакууме контакты выключателя размещают в вакуумной камере. Кроме того, в этих аппаратах применяют такие же способы гашения дуги, как и в аппаратах до 1000 В (гашение в щелях и магнитное дутье).
По конструктивным особенностям и способу гашения дуги различают баковые масляные, маломасляные, воздушные, электромагнитные, вакуумные, автогазовые, элегазовые выключатели. По роду установки выключатели разделяют на выключатели для внутреннего использования, для наружного использования, для комплектных РУ. По степени быстродействия на отключение выключатели делятся на сверхбыстродействующие (менее 0,06 с), быстродействующие (от 0,06 до 0,08 с), ускоренного действия (от 0,08 до 0,12 с), небыстродействующие (свыше 0,12 с).
Основными достоинствами баковых выключателей являются простота конструкции, высокая отключающая способность, пригодность для наружной установки; недостатками — взрыво- и пожароопасность, необходимость периодического контроля за состоянием и уровнем масла, большой объем масла, что требует значительных затрат времени на его замену, непригодность для установки внутри помещений и для АПВ, большой расход металла, большие габаритные размеры и масса, неудобство перевозки, монтажа и наладки.
В малообъемных (маломасляных) выключателях трансформаторное масло залито лишь в небольшой бачок (горшок), окружающий контакты, и используется только как дугогасительная среда. Поэтому такие аппараты являются менее пожаро- и взрывоопасными. Баки таких выключателей изготовляют из металла и фарфора. Выключатели с металлическими баками используют в закрытых и комплектных РУ, а с фарфоровыми — на открытых подстанциях. Для контроля уровня масла в этих выключателях имеется маслоуказатель, а для смягчения удара при их включении и отключении — соответственно масляный и пружинный буферы, расположенные на раме.
Достоинствами маломасляных выключателей являются небольшое количество масла, малая масса, удобный доступ к контактам, унификация многих узлов; недостатками — невысокое быстродействие, частая замена масла, малая отключающая способность, взрыво- и пожароопасность.
Воздушные выключатели применяют в РУ напряжением 110 кВ. Гашение дуги в них происходит в дугогасительных камерах с продольным или поперечным дутьем с помощью сжатого воздуха, получаемого от компрессорной установки. Достоинствами воздушных выключателей являются взрыво- и пожаробезопасность, быстродействие, высокая отключающая способность, малый износ дугогасительных контактов, пригодность для наружной и внутренней установки; недостатками — необходимость наличия компрессорной установки, сложность изготовления ряда деталей и узлов, относительно высокая стоимость.
Электромагнитные выключатели выпускаются на напряжения 6... 10 кВ, номинальный ток до 3200 А и ток отключения до 40 кА. Дугогашение в них осуществляется магнитным дутьем и не требует масла или сжатого воздуха, что является большим преимуществом этих выключателей. Другими их достоинствами являются полная пожаро- и взрывобезопасность, малый износ контактов, большое количество отключений без ревизий, высокая отключающая способность. К недостаткам следует отнести сложную конструкцию и ограниченный верхний предел номинального напряжения.
Основной частью конструкции вакуумных выключателей является вакуумная камера, в которой практически отсутствует среда, проводящая электрический ток. Этим обеспечивается быстрое гашение дуги при сравнительно малом ходе размыкающих контактов (4 мм). Контакты выключателей изготовляют тугоплавкими во избежание их испарения в вакууме. К достоинствам вакуумных выключателей относятся их малые габаритные размеры, взрыво-и пожаробезопасность, возможность расположения в любой плоскости и надежность, а к недостаткам — небольшие токи отключения и большие коммутационные перенапряжения.
Автогазовые выключатели применяются в основном в качестве выключателей нагрузки. Для гашения дуги в них используется газ, выделяющийся из твердого газогенерирующего материала дугогасительной камеры. К достоинствам автогазовых выключателей относится простота их конструкции, а к недостаткам — малые токи отключения.
В элегазовых выключателях применяется электромагнитное дутье, вращающее дугу. Их контактная система помещается внутри герметически закрытого фарфорового корпуса, заполненного элегазом. К достоинствам элегазовых выключателей относятся пожаро- и взрывобезопасность и быстродействие.
В электрических установках малой мощности используют выключатели нагрузки, создающие видимый разрыв при отключении ими электрической цепи. Выключатели нагрузки оборудованы дугогасительными камерами с вкладышами из оргстекла. В качестве выключателей нагрузки служат также вакуумные выключатели ВНВП-10/320-2, выполненные на основе дугогасительной камеры КДВ-21.
Все высоковольтные выключатели комплектуются приводными механизмами, основными частями которых являются включающий механизм, запирающий механизм и расцепляющий механизм. Применяются ручные, пружинные, электромагнитные, пневматические и другие приводы выключателей.
Во всех перечисленных аппаратах обслуживанию и ремонту в подавляющем большинстве случаев подвергаются контактные группы и дугогасителъные камеры. Простейшие контактные группы обычно не ремонтируются и при их наличии на складе заменяются на новые. Контакты с содержанием драгоценных металлов (серебро, золото, платина) не выбрасываются, а сдаются на утилизацию. Сложные контакты и контакты с проводящими накладками могут быть отремонтированы самостоятельно или на ремонтном предприятии путем сварки или пайки одним из следующих методов: контактной (точечной), диффузионной, холодной, ультразвуковой или электронно-лучевой сварки, сварки и пайки в вакууме, ультразвуковой металлизации.
Контактная сварка относится к термомеханическим методам и позволяет соединить контактирующие накладки с конструктивной частью контактной группы (см. разд. III).
Диффузионная сварка частей контактов выполняется при повышенных температурах (нагрев токами высокой частоты) с приложением необходимых давлений на свариваемые элементы. Сварка производится при разрежении 10"'... 10~3 Па в вакуумной камере, основана на взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях свариваемых материалов и позволяет получить надежные соединения металлокерамических контактных накладок с металлическими элементами контактных систем.
Холодная сварка. В этом случае связи между атомами соединяемых металлов возникают без внешнего подвода теплоты при обеспечении одновременной пластической деформации зоны соприкосновения. Соединяемые поверхности предварительно зачищаются. Степень деформации контактных материалов (Ag —Cu, Ag—Ni, Ag —CdO) и металлов контактодержателей (медь, бронза, латунь) весьма велика.
Ультразвуковая сварка применяется в тех случаях, когда необходимо избежать общего нагрева контактирующих элементов и исключить изменение их физико-технических свойств. Энергия в этом случае подводится к месту соединения в форме механических колебаний ультразвуковой частоты. Тем не менее ультразвуковая сварка является процессом термомеханическим, поскольку в месте соединения не вся энергия колебаний затрачивается на деформацию микронеровностей, а значительная часть ее расходуется на выделение теплоты.
Электронно-лучевая сварка основана на превращении кинетической энергии электрона в тепловую энергию (механическое давление при этом отсутствует). Этот метод используется для ремонта контактов слаботочных реле, а также в тех случаях, когда к свариваемым элементам нельзя прикладывать механические усилия (контакты реле защиты).
Сварка и пайка в вакууме используется при нанесении слоя одного металла или сплава на другой (серебра на медь, меди на алюминий и др.). При ремонте контактных накладок соединяемая поверхность более легкоплавкого металла нагревается в вакууме до температуры, превышающей температуру его плавления, и, таким образом, выполняет роль припоя.
Ультразвуковая металлизация. Используя ультразвук, можно осуществлять металлизацию поверхностей контактных деталей другим металлом. Металлизация осуществляется при частоте колебаний ультразвукового инструмента, равной 20 кГц, и амплитудах колебательного смещения 3... 10 мкм, формирующих кавитацию в расплаве. Таким способом можно восстанавливать лишь тонкие проводящие пленки на поверхности контактов.
Дугогасительные камеры. Эффективность и ресурс дугогасительных устройств коммутационных аппаратов в значительной мере зависят от свойств дугогасящей среды, материала контактных, изоляционных и конструктивных элементов и их конструктивно-технологических особенностей. Дугогасительные камеры, выработавшие ресурс, подвергшиеся износу или находящиеся в аварийном состоянии предпочтительно заменить на новые (на складе должен храниться их экономически обоснованный запас).
