Тема: Автоматический выключатель: устройство, принцип действия

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования

«КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

СУДОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ

ПМ.01 МОНТАЖ, ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ СУДОВЫХ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

МДК. 01.01.Технология монтажа, ремонта и технического обслуживания судовых энергетических установок, средств автоматики и судовых машин и механизмов

Электрооборудование судов

Методические указания по выполнению практических работ

для студентов специальности 26.02.04 «Монтаж и техническое обслуживание судовых машин и механизмов»

дневной формы обучения

Керчь, 2015

Практическая работа №1

Тема: Автоматический выключатель: устройство, принцип действия

Автоматический выключатель однополюсный ДЭК ВА-101-1 C3

Несмотря на многообразие типов автоматических выключателей (автоматов), многие работают по схожим принципам и построены на базе стандартного набора функциональных элементов. В связи с широким применением автоматов модульного типа (особенно, в бытовых и низковольтных электросетях), изучать работу автоматического выключателя резонно на их примере. В качестве подопытного образца будет выступать недорогого однополюсный автомат марки ДЭК типа ВА-101-1 C3.

Автомат модульного типа внешне представляет собой стандартизированный по габаритам аппарат в пластмассовом корпусе, имеющий две или более входных клемм (в зависимости от количества полюсов) для подключения питания с одной стороны (обычно, сверху) и подсоединения нагрузки с другой (снизу). На передней панели автомата находится рычаг управления, с помощью которого осуществляется включение и отключение автомата (нагрузки) вручную. По бокам корпуса имеются технологические отверстия для установки дополнительных устройств, например, контактов состояния автомата, независимого расцепителя и некоторых других. Сверху автомат имеет отверстия для доступа к регулировочному винту теплового расцепителя и выхода продуктов горения дугового разряда. Монтаж (крепление) модульного автомата в электрошкафу осуществляется на так называемую DIN-рейку – металлический или пластмассовый профиль определенной формы.

Крепление автомата на DIN-Рейку и снятие в неё.

Окна для подсоединений дополнительных устройств к автомату.

Автомат ДЭК. Вид сверху.
1 - отверстие выхода продуктов горения дуги; 2 - отверстие с регулировочным винтом теплового расцепителя.

В электрическую цепь автомат подключается последовательно - в разрыв цепи питания нагрузки (потребителей). Принцип действия автоматического выключателя состоит в контроле силы электрического тока через автомат и, в случае необходимости, разрыве цепи (отключении нагрузки) с той или иной скоростью (задержкой), начиная с момента превышения тока и в зависимости от «серьезности» (кратности) этого превышения.

Схема подключения однополюсного автомата в цепь питания лампы накаливания.

Корпус модульного автомата, в большинстве случаев, неразборный. Для его вскрытия, с целью изучения, потребуется удалить (высверлить и извлечь) все заклепки и разделить корпус на две части. Элементы корпуса выполнены из пластмассы, не поддерживающей горение, с достаточной (расчетной) электроизоляционной способностью. С внутренней стороны полукорпусов имеются пазы и направляющие для установки функциональных элементов автомата.

Процесс вскрытия автомата.

Автоматический выключатель ДЭК внутри.

Автомат полностью разобран.

Устройство автоматического выключателя с подписями его функциональных элементов.

Механизм взвода и расцепления – механическая система из пружин и рычажков, выполняющая две основные функции: удержание контактов в сомкнутом состоянии при штатном режиме работы, и, при возникновении аварийной ситуации, по командам расцепителей или оператора (ручное отключение) быстро отвести подвижный контакт от неподвижного.

Автомат включен, механизм взведен.

Электромагнитный расцепитель представляет собой электромагнит с подвижным сердечником (якорем), который работает как толкатель. Когда ток через обмотку достигает определенного значения, якорь надавливает на рычажок спускового механизма, что приводит к его срабатыванию и отключению нагрузки. Число витков катушки и сечение обмоточной проволоки электромагнита рассчитано так, чтобы срабатывать только при относительно больших превышениях номинального тока автомата (например, при коротком замыкании), а так же чтобы выдерживать такие превышения неоднократно.

Нижняя клемма, катушка электромагнитного расцепителя и биметаллическая пластина соединены сваркой.

Якорь электромагнитного расцепителя в собранном (слева) и разобранном (справа) виде.

При движении якоря вниз в направлении красной стрелки, курок спускового механизма выходит из зацепления (красный кружок).

При движении якоря вниз, он увлекает за собой подвижный контакт, чем помогает механизму расцепления развести контакты.

Тепловой расцепитель – биметаллическая пластина, изгибающаяся в определенную сторону при нагреве в результате прохождения тока через специальный проводник повышенного сопротивления, намотанный поверх неё (биметаллическая пластина косвенного нагрева). При определенном угле изгиба пластины, её кончик надавливает на рычажок спискового механизма – автомат отключается. В отличие от электромагнитного расцепителя, тепловой расцепитель более медлителен и не способен срабатывать за доли секунды, однако, он более точен и поддается тонкой настройке.

При изгибании кончика биметаллической пластины в направлении красной стрелки, курок спускового механизма выходит из зацепления (красный кружок).

Дугогасительная камера, имеющаяся в устройстве автоматического выключателя, обеспечивает быстрое гашение дугового разряда, который может образовываться при размыкании контактов. Она представляет собой набор металлических пластин, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга. Попадая на пластины, дуга разделяется, завлекается внутрь дугогасительной камеры и тухнет. Продукты горения дуги и избыточное давление сбрасываются наружу через специальный канал в корпусе автомата.

Автоматический выключатель устроен и работает по принципу постоянного слежения за силой электрического тока, использует сразу два детектора-расцепителя: электромагнитный и тепловой. Первый обладает высокой скоростью реакции, которая необходима для защиты от быстрорастущих сверхтоков, вторая – точностью и определенной задержкой в срабатывании, что позволяет исключить ложные отключения нагрузки при кратковременном и небольшом превышении силы тока.

Плавкие предохранители — это аппараты, защищающие установки от перегрузок и токов короткого замыкания. Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки. Основные требования. предъявляемые к плавким предохранителям К предохранителям предъявляются следующие требования: 1. Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта. 2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно. 3.Время срабатывания предохранителя при коротком замыкании должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны работать с токоограничением. 4. Характеристики предохранителя должны быть стабильными. Разброс параметров из-за производственных отклонений не должен нарушать защитные свойства предохранителя. 5. В связи с возросшей мощностью установок предохранители должны иметь высокую отключающую способность. 6. Замена сгоревшего предохранителя или плавкой вставки не должна требовать много времени. В промышленности наибольшее распространение получили предохранители типов ПР-2 и ПН-2. Плавкие предохранители с гашением дуги в закрытом объеме ПР-2 Устройство предохранителей ПР-2 Предохранители ПР-2 на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плавкая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, который является выходным контактом. Плавкая вставка 1 штампуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии материалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на токи более 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов. Вставка предохранителя ПР-2 располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного колпачка 5. Принцип действия предохранителей ПР-2 Процесс гашения дуги в плавком предохранителе ПР-2 происходит следующим образом. При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, после чего возникает дуга. Под действием высокой температуры дуги фибровые стенки патрона выделяют газ, в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4—8 МПа. За счет увеличения давления поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способствует ее быстрому гашению. Плавкая вставка предохранителя ПР-2 может иметь от одного до четырех сужений в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при коротком замыкании и создают эффект токоограничения. Предохранитель типа ПР-2 Поскольку гашение дуги в плавком предохранителе ПР-2 происходит очень быстро (0, 002 с), можно считать, что уширенные части вставки в процессе гашения остаются неподвижными. Давление внутри патрона плавкого предохранителя пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать больших значений. Поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для чего на его концах установлены латунные обоймы 4. Диски 6, жестко связанные с контактными ножами 2, крепятся к обойме патрона 4 с помощью колпачков 5. Предохранители ПР-2 работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстояния друг от друга. Плавкие предохранители ПР-2 выпускаются двух осевых размеров — короткие и длинные. Короткие предохранители ПР-2 предназначены для работы на переменном напряжении не выше 380 В. Они имеют меньшую отключающую способность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с на-пряжением до 500 В. Технические характеристики предохранителей ПР-2 В зависимости от номинального тока выпускается шесть габаритов патронов различных диаметров. В патроне каждого габарита могут устанавливаться вставки на различные номинальные токи. Так, в патроне на номинальный ток 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А. Различают нижнее и верхнее значения испытательного тока. Нижнее значение испытательного тока — это максимальный ток, который, протекая в течение 1 ч, не приводит к перегоранию предохранителя. Верхнее значение испытательного тока — это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным среднеарифметическому испытательных токов. Плавкие предохранители с мелкозернистым наполнителем ПН-2 Устройство предохранителей ПН-2 Эти предохранители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратного сечения 1 предохранителя типа ПН-2 изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки 2 и наполнитель — кварцевый песок 3. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с ножевыми контактами 9. Пластины 5 крепятся к корпусу винтами. В качестве наполнителя в предохранителях ПН-2 используется кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 98 %, с зернами размером (0, 2—0, 4)10-3 м и влажностью не выше 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность. Плавкая вставка предохранителей ПН-2 выполняется из медной ленты толщиной 0, 1— 0, 2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более полного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффективный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обеспечивает высокую токоограничивающую способность. Соединение нескольких суженных участков по-следовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски 7 (металлургический эффект). Принцип действия предохранителя ПН-2 При коротком замыкании плавкая вставка предохранителя ПН-2 сгорает и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Градиент напряжения на дуге очень высок и достигает (2—6)104 В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд. После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с диском 4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для герметизации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6 что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ниже предохранитель имеет более простую конструкцию. Технические характеристики предохранителей ПН-2 Предохранители ПН-2 выполняются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток короткого замыкания, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлического короткого замыкания сети, в которой устанавливается предохранитель). Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами плавкого предохранителя ПН-2.