Автоматические выключатели

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Автоматические выключатели (АВ) предназначены для проведения тока и оперативных нечастых отключений электрической цепи в нормальных режимах работы, а также для автоматического отключения цепи в аварийных режимах работы: при прохождении токов короткого замыкания, перегрузки и при понижении напряжения.

 

По назначению и принципам конструирования автоматические выключатели (АВ) разделяются на выключатели общего назначения и быстродействующие.

Быстродействующие АВ, выполняются в основном постоянного тока, они предназначены для защиты полупроводниковых преобразователей, электрических машин и линий электропередачи. Время срабатывания выключателей находится в пределах 0,002¸0,008 с.

АВ общего назначения по роду тока главной цепи выполняются переменного (напряжением до 1000 В) и постоянного (напряжением до 440 В) от 6 до 6300 А. Время срабатывания находится в пределах 0,02¸ 0,08 с.

На рис.9.2 приведена конструктивная схема АВ, которая содержит: неподвижный и подвижный контакты 1 и 2 соответственно; дугогасительную камеру 3; медную, гибкую связь 4; отключающую пружину 5; механизм свободного расцепления 6; защелку 7; упор 8; рукоятку 9; электромагнит с прямоходовым якорем 10; траверсу 11.

ЭТО ВАЖНО. Широкое распространение в АВ получили камеры с дугогасительными решетками и камеры с узкими щелями. Как правило, магнитное поле дугогашения (магнитное дутье) в выключателях создается самим контуром силового тока.

Включение АВ может осуществляться автоматически по команде оператора или системы автоматического управления. В этом случае в конструкции АВ предусмотрен дополнительно электромагнитный механизм дистанционного управления.

В действительности механизм свободного расцепления (расцепляющее устройство) представляет собой сложную систему шарнирно-связанных рычагов, соединяющих привод включения с системой подвижных контактов, которые соединены с отключающей пружиной. Расцепляющее устройство предназначено таким образом для обеспечения быстрого отключения АВ и для удержания контактов во включенном состоянии.

В конструкции АВ могут быть вспомогательные контакты (блок-контакты) предназначены для осуществления переключений в цепях управления, блокировки и сигнализации в зависимости от коммутационного положения выключателя. Они выполняются в виде отдельного блока, встроенного в АВ и связаны с его подвижной системой.

Основными параметрами АВ являются: собственное и полное время отключения, номинальные значения тока и напряжения, предельный ток отключения.

Собственное время отключения автомата это 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 электрооборудования.

Большое разнообразие автоматических выключателей делает их выбор достаточно сложным и трудоемким.

 

ЭТО ВАЖНО. АВ выбираются по следующим основным техническим параметрам: по роду тока и по числу полюсов; по номинальному напряжению и номинальному току; кратности уставки тока отсечки (тока срабатывания в аварийных режимах); механической и коммутационной износостойкости; климатическому исполнению, категории размещения и степени защиты.

 

Номинальные значения напряжения U_ном.а и тока I_ном.а АВ, тока нагрузки I_н и напряжения сети U_с при выборе автомата должны удовлетворять соотношениям

U_ном.а ³ U_c, I_ном.а ³ I_н. (9.1)

 

Для АВ осуществляющих защиту двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, номинальный ток электромагнитного расцепителя принимается, равным току двигателя. Для АВ защищающих двигатели с короткозамкнутым ротором ток уставки электромагнитного расцепителя

I_уст.эм ³ (1,5¸1,8) I_п, (9.2)

где I_п – пусковой ток двигателя.

Для двигателя с фазным ротором

I_уст.эм ³ (2,5¸ 3) I_ном.дв. (9.3)

Для группы короткозамкнутых двигателей

I_уст.эм ³ (1,5¸1,8)[ I_ном.дв + (I_п - I_ном.дв) ], (9.4)

где разность (I_п - I_ном.дв) берется для двигателей, у которых она наибольшая.

Для группы двигателей с фазным ротором

I_уст.эм ³ (1,5¸2) I_{ном.дв.п} + I_ном.дв, (9.5)

где I_{ном.дв.п} – ток двигателя с наибольшим пусковым током.

Выбор автоматов по току КЗ:

для АВ с электромагнитным расцепителем

I_кз / I_уст.эм ³ 1,25¸1,4; (9.6)

для АВ с комбинированным расцепителем

I_кз / I_{ном.расц} ³ 3. (9.7)

Предельный ток отключения АВ должен быть не менее I_кз.

 

Плавкие предохранители

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Предохранитель – это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от токов перегрузки и короткого замыкания.

 

Достоинства плавких предохранителей (ПП): простота устройства, небольшая стоимость, малые габариты и масса, высокая отключающая способность обеспечили широкое их применение в системах электроснабжения.

Предохранители низкого напряжения изготавливаются на токи от миллиампер до тысяч ампер.

Основным недостатком ПП является то, что после отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку. Эта операция производится вручную или автоматически с заменой всего предохранителя. И в первом и во втором случаях необходимо осуществлять отключение источника питания.

Основными элементами плавкого предохранителя (ПП) являются (рис.9.3) корпус 1, плавкая вставка 2, включаемая последовательно с защищаемой цепью посредством контактных элементов латунных колпачков 3 и контактных ножей 4.

Процесс срабатывания ПП делится на несколько этапов: нагревание плавкой вставки до температуры плавления; плавление и испарение вставки; возникновение и гашение электрической дуги с восстановлением изоляционных свойств образующего воздушного промежутка.

ПП работают в двух резко отличающих режимах: в номинальных условиях и в условиях перегрузок и коротких замыканий. В первом случае нагрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений.

 

ЭТО ВАЖНО. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки.

 

Номинальный ток плавкой вставки может быть отличным от номинального тока самого предохранителя. Обычно в один и тот же ПП можно вставлять плавкие вставки на различные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя, указанный на нем, равен наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя.

ЭТО ВАЖНО. Номинальным напряжениемПП называется напряжение, при котором предохранитель должен продолжительно работать. Напряжение защищаемой цепи не должно превышать номинального напряжения ПП более чем на 10 %.

Защитные свойства ПП при перегрузках нормируются. Для предохранителей задаются условным током неплавления – ток, при протекании которого в течение определенного времени плавкая вставка не должна перегореть, и условный ток плавления – ток, при протекании которого в течение определенного времени плавкая вставка должна перегореть. Например, для предохранителя с плавкими вставками на номинальные токи 63¸100 А плавкие вставки не должны перегорать при протекании тока 1,3 I_ном в течение одного часа, а при токе 1,6 I_ном должны перегореть за время до одного часа.

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении установившейся температуры, называется пограничным током I_погр. Для того чтобы ПП не срабатывал при номинальном токе необходимо, чтобы отношение I_погр / I_ном > 1. Для улучшение защиты значение пограничного тока должно быть ближе к номинальному.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и сплавы. Материалы плавких вставок приведены в табл.9.1.

 

Таблица 9.1 - Материалы плавких вставок предохранителей

Металл вставки	Удельное сопротивление,	Температура оС
Допустимая	Плавления вставки
Медь	0,0154	250	1083
Серебро	0,0147	-	961
Цинк	0,06	200	419
Свинец	0,21	150	327

 

Гашение электрической дуги, возникающей при перегорании плавкой вставки, должно быть осуществлено в короткое время. Время гашения дуги зависит от конструкции предохранителя и принятого способа гашения. Наибольший ток, который ПП может отключить без каких-либо повреждений или деформаций, препятствующих его дальнейшей исправной работе после смены плавкой вставки, называют предельным током отключения предохранителя.

В современных ПП с закрытыми патронами без наполнителя дуга гасится за счет высокого давления, возникающего в патроне вследствие взаимодействия дуги с газом, выделяемым фибровым материалом корпуса предохранителя. В предохранителях с наполнителем возникающая при плавлении вставок дуга соприкасается с мелкими зернами наполнителя (кварцевого песка и примесей на его основе), интенсивно охлаждается, деионизируется и быстро гасится.

Применение параллельных плавких вставок (при больших токах) позволяет при одном и том же суммарном поперечном сечении их получить большую поверхность охлаждения вставок и лучше использовать объем наполнителя (в ПП с наполнителем).

В установках низкого напряжения наибольшее распространение получили предохранители с закрытыми патронами с фибровыми разборными патронами (серии ПР) и предохранители с кварцевым наполнителем (серии ПН). Такие предохранители позволяют осуществлять замену плавких вставок и изготавливаются на напряжение до 500 В и токи до 1000 А.

Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстоянии друг от друга.

 

ЭТО ВАЖНО. Предохранитель не должен отключать установку при перегрузках, которые являются эксплуатационными. Так, пусковой ток асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором может достигать 7I_ном. По мере разгона пусковой ток падает до значения, равного номинальному току двигателя. Длительность пуска зависит от характера нагрузки. Экспериментально установлено, что старение плавкой вставки не происходит при токах, равных половине тока плавления.