Назначение, функции, устройство и параметры автоматических выключателей

Функции

Автоматические выключатели (АВ) относятся к классу коммутационных аппаратов и аппаратов защиты. Они устанавливаются в электрических цепях постоянного и переменного тока и предназначены для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при коротких замыканиях, перегрузках и недопустимых снижениях напряжения (при наличии расцепителя минимального напряжения), а также для нечастых (до 3 включений в час, у ВА50 -до 6, у АЕ20 - до 30) оперативных включений и отключений (ВО) данных электрических цепей. АВ всегда выполняют функцию выключателя нагрузки и функцию разъединения.

На рис. 4.2 приведена упрощенная однолинейная схема электроснабжения на напряжение до 1000В, в которой защита элементов сети выполнена автоматическими выключателями.

Функциональное обозначение АВ, изображенных на схеме:

1 – вводные АВ, для защиты и коммутации сборных шин понижающей трансформаторной подстанции (ТП);

2 – линейные АВ, для защиты и коммутации линий, отходящих от шин ТП к группам потребителей или к отдельным крупным электроприемникам (электродвигателям, электротехнологическим установкам);

3 – АВ, предназначенные для коммутации и защиты линий и отдельных электроприемников;

4 – секционный АВ (в нормальном режиме отключен) используется для резервирования питания, которое обеспечивается включением секционного АВ в случае исчезновения напряжения по одному из питающих направлений. Включение может быть автоматическим от контакта реле времени (АВР - автоматический ввод резерва), либо ручным при включении секционного АВ эксплуатационным персоналом.

5 – магнитный пускатель для управления электроприёмником (изучается в лабораторной работе № 3).

Рис. 4.2. Упрощенная однолинейная схема электроснабжения с автоматическими выключателями Выделить ТП и СП пунктирной с точкой линией, расширить рисунок

Устройство

Автоматический выключатель - это механический коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальном состоянии электрической цепи, а также включать, проводить в течение заданного времени и автоматически отключать токи при аномальных состояниях электрической цепи, например, коротком замыкании.

Коммутационные аппараты применяются в электроустановках для включения или отключения тока в одной или нескольких электрических цепях. При коммутации электрических цепей автоматический выключатель выполняет операции включения и отключения, а также включения с последующим автоматическим отключением.

Обобщенная блок-схема взаимодействия механических частей АВ (на примере одного полюса) приведена на рис.4.3. Рассмотрим назначение основных узлов АВ.

Основными узлами любого автоматического выключателя являются контактно-дугогасительная система, механизм свободного расцепления (МСР), а также элементы управления и защиты.

Аппарат коммутирует цепь с током i. Для ручного включения поворачивают рукоятку 12 в указанном направлении до такого положения, пока рычаг не встанет на защелку (на рис. 4.3 не изображена). Главные контакты 3 и дугогасительные контакты 1 будут замкнуты, а отключающая пружина 9 взведена (растянута).

Рис. 4.3. Конструктивная схема одного полюса автоматического воздушного выключателя QF в схеме питания электродвигателя совместно с магнитным пускателем (контактором KM и тепловым реле KK): 1, 3 – дугогасительные и главные контакты; 2 – дугогасительная камера; механизм свободного расцепления; (МСР): 13 - упор системы ломающихся рычагов 6 и 7; 8 - пружина механизма свободного расцепления; 12 – ручной привод включения-отключения АВ; 14 – планка воздействия на МСР; 4 – термобиметаллический (тепловой) расцепитель (биметаллическая пластинка и нагревательный элемент); 5 – электромагнитный расцепитель максимального тока; 10 – расцепитель минимального напряжения; 11 – независимый расцепитель; 9 – отключающая пружина; 15 - гибкая связь; 16- главный рычаг, несущий подвижный контакт; 17 - компенсатор электродинамических сил дугогасительных контактов; 18 - пружина дугогасительных контактов; 19 - контактная пружина главного подвижного контакта; 20 – электромагнитный или моторный привод выключателя; KM – электромагнитный контактор; KK – тепловое реле; М – электродвигатель, О1, О2, О3. – оси вращения элементов АВ.

При включении первыми замыкаются дугогасительные контакты 1, после них - главные контакты 3. При отключении сначала расходятся главные контакты и ток переходит в дугогасительные. В результате на главных контактах предотвращается образование дуги большой мощности. Дуга гасится в дугогасительной камере 2. Гибкая медная связь 15 необходима для создания цепи тока при движении подвижного контакта.

Для выполнения своих защитных функций автоматические выключатели снабжаются специальными устройствами - расцепителями (элементы 4, 5, 10, 11), воздействующими в различных нештатных ситуациях и аварийных режимах на механизм свободного расцепления (элементы 6, 7, 8, 13). Самыми распространенными являются расцепитель с биметаллическим элементом (тепловой) 4 и электромагнитный 5. Они защищают от сверхтоков (токов перегрузки и КЗ) и относятся к расцепителям максимального тока. Время действия теплового расцепителя зависит от тока: чем больше ток, тем быстрее расцепитель срабатывает, а время действия электромагнитного расцепителя обычно мало и условно считается, что он срабатывает мгновенно. Существуют и другие виды расцепителей. Например, минимальный расцепитель 10 защищает от снижения напряжения контролируемой сети, а независимый расцепитель 11 позволяет практически мгновенно дистанционно отключить выключатель.

Система ломающихся рычагов 6, 7, осуществляет связь между рукояткой 12 и главным рычагом 16, воздействующим на подвижный контакт АВ. Эта механическая связь между рукояткой и подвижным контактом разрывается при автоматическом отключении аппарата от элементов управления и защиты или при дистанционном отключении.

Механизм свободного расцепления предотвращает повторные включения и отключения аппарата, в частности - при включении аппарата на существующее в сети КЗ. Если вместо механизма свободного расцепления между рукояткой 12 и рычагом 16 сделать жесткую связь, то возможно многократное включение на КЗ и последующее отключение от защиты. Такие повторные включения и отключения могут привести к выходу аппарата из строя.

Принцип действия механизма свободного расцепления более подробно рассмотрен на рис. 4.4. Во включенном положении шарнир, соединяющий рычаги 1 и 2, находится ниже «мертвой» точки, в которой центры всех трех шарниров рычагов 1 и 2 расположены на одной прямой. В аварийной ситуации под воздействием толкателя 8 расцепителя 7 рычаг 2 идет вверх и проходит «мертвую» точку. Пружина 5 расцепителя воздействует на главный рычаг 3 и элемент 4. В результате этого они переходят в положение, изображенное на рис. 4.3, б. Для подготовки выключателя к новому включению рукоятка 10 должна быть опущена вниз до упора.

Итак, расцепление механизма ломающихся рычагов 1, 2 и 3 (см. рис. 4.3) позволяет пружине произвести перемещение элемента 4 и контактов выключателя в отключенное положение. При этом энергия, запасенная в пружине, расходуется на движение механизма и контактов аппарата. Поэтому при последующем включении в пружине вновь должна быть запасена энергия, т.е. требуется ее взвести (растянуть или сжать в зависимости от конкретного исполнения выключателя).

Рис. 4.4. Три устойчивых положения механизма свободного расцепления: а - включено; б - отключено автоматически; в - отключено вручную; 1, 2 - ломающиеся рычаги механизма свободного расцепления; 3 - главный рычаг; 4 - элемент, передающий движение главному подвижному контакту; 5 - отключающая пружина; 6 - упор системы ломающихся рычагов; 7 - электромагнитный расцепитeль; 8 - толкатель механизма расцепления; 9 - рычаг рукоятки привода выключателя; 10 - перекидная рукоятка привода выключателя

Принцип работы механизма свободного расцепления позволяет выделить три состояния автоматического выключателя: «отключен», «включен» и «отключен автоматически»; диаграмма возможных переходов из одного состояния в другое представлена на рис. 4.5. При переходе в положение «включен» взводится отключающая пружина выключателя, и он готов к отключению аварийных режимов. Под действием или КЗ происходит автоматическое отключение, т.е. переход в состояние «отключен автоматически». Теперь во включенное состояние аппарат может быть переведен только через положение «отключен».

Рис. 4.5. Диаграмма состояний автоматического выключателя

Для однозначного визуального определения положения контактов на автоматическом выключателе обязательно предусматривается индикация. Включенному состоянию (замкнутому положению контактов) соответствует верхнее положение ручки выключателя и знак (|), отключенному вручную (разомкнутому) - нижнее положение и знак (0). Если выключатель отключен автоматически, то ручка располагается посредине между включенным и отключенным положениями.

Принцип токоограничения

В процессе работы токи КЗ, отключаемые аппаратами низкого напряжения (НН), могут достигать десятков и сотен килоампер Выделяющаяся при этом тепловая энергия и возникающие электродинамические силы оказывают существенные тепловые и электродинамические воздействия на сам аппарат и всю систему электроснабжения. Для более быстрого отключения тока КЗ разработаны специальные токоограничивающие исполнения выключателей.

Принцип токоограничения заключается в использовании сопротивления электрической дуги. Возникающая электрическая дуга включается в цепь как дополнительное сопротивление и ограничивает рост тока КЗ. Быстрота развития дуги связана со скоростью размыкания контактов. С момента начала размыкания контактов t_s (рис. 4.6) напряжение дуги U_m нарастает до момента t ₁ и достигает значения напряжения сети Е_m. Ограниченный ток КЗ (I_{t 1}) достигает своего максимального значения, затем уменьшается и становится равным нулю в момент времени t ₂. Уменьшение тока КЗ вызвано напряжением дуги U _дуг, которое превышает напряжение сети Е_m.

Применение токоограничивающих выключателей значительно снижает отрицательные воздействия токов КЗ. В частности, уменьшение тока КЗ и длительности его протекания, т.е. уменьшение выделяемой тепловой энергии, снижает нагрев кабельных линий и прочих проводников, а значит, и увеличивает срок их службы. Снижается влияние магнитного поля, а значит, и уменьшается опасность нарушения работы соседних измерительных приборов. Ограничение тока КЗ снижает и электромагнитные силы, которые могут приводить к различным механическим деформациям и разрушениям. Для достижения эффекта токоограничения необходимо осуществить размыкание контактов на фронте первого полупериода тока КЗ. В малогабаритных аппаратах такое раннее размыкание контактов реализуется непосредственно якорем электромагнитного расцепителя. В аппаратах с номинальными токами, большими 100 А, обычно токоограничение обеспечивается отбросом подвижного контакта электродинамическими силами.

Рис. 4.6. Токи КЗ и напряжения при использовании эффекта токоограничения

Классификация и основные параметры

Для автоматических выключателей низкого напряжения (НН) часто используется следующая практическая классификация:

• модульные автоматические выключатели (МСВ - от англ. Moulded Circuit Breakers - сформованный выключатель тока); они рассчитаны на номинальный ток не выше 125 А; обычно имеют тепловой и электромагнитный расцепители и нерегулируемые характеристики расцепления;

• автоматические выключатели в литом корпусе (МССВ - от англ. Moulded Case Circuit Breakers - сформованный в литом корпусе выключатель тока); они широко применяются в большинстве низковольтных сетей и рассчитаны на номинальный ток до 1600 А; характеристики этих выключателей могут подвергаться регулировкам;

• автоматические выключатели в изолированном корпусе (ICCB - от англ. Isolated Case Circuit Breakers) - для сетей НН с повышенными значениями тока (до 6300 А).

Это лишь основные типы автоматических выключателей для сетей НН. Реальная их номенклатура шире. Например, существуют автоматические выключатели в металлической оболочке. В настоящее время при производстве выключателей применяются настолько разнообразные технологии, что некоторые из этих устройств трудно отнести к какой-либо определенной категории.

В нормативной документации автоматические выключатели классифицируются по различным техническим характеристикам: роду тока силовой цепи, числу полюсов, способу монтажа и присоединения, номинальным параметрам, току мгновенного расцепления и другим параметрам.

По роду тока главной цепи они подразделяются на выключатели постоянного или переменного тока и комбинированные автоматические выключатели постоянного и переменного тока.

Род тока и тип системы заземления определяют число полюсов выключателя. Под полюсом понимается часть автоматического включателя, связанная исключительно с одним электрически независимым проводящим путем, имеющая контакты для замыкания и размыкания. По количеству полюсов выключатели могут быть одно-, двух-, трех- и четырехполюсные. В многополюсном выключателе подвижные контакты блокируются таким образом, чтобы замыкать и размыкать цепь одновременно как при ручном, так и при автоматическом управлении.

Полюс выключателя может быть защищенным, незащищенным или отключающим нейтральный провод (нейтраль). Защищенный полюс всегда содержит расцепитель максимального тока. Незащищенный полюс не имеет расцепителя максимального тока, но способен коммутировать цепь так же, как и защищенный полюс. Полюс, отключающий нейтраль, предназначен для замыкания и размыкания нулевого рабочего проводника N. Расцепитель полюса нейтрали настраивается в соответствии с сечением нейтрального проводника, которое может отличаться от сечения фазного проводника. Полюс, отключающий нейтраль, обозначается на выключателе символом «N». Подключать к такому полюсу фазный проводник нельзя!

По способу монтажа выключатели классифицируются на стационарные (устанавливаемые на рейку или монтажную плату), втычные (с цоколем) и выдвижные или выкатные (с шасси).

Главными стандартизуемыми техническими параметрами автоматических выключателей являются напряжение (номинальное рабочее U_e и номинальное по изоляции U_i), номинальный ток I_n и уставка тока срабатывания при КЗ.

Основной характеристикой срабатывания автоматических выключателей в аварийных режимах является времятоковая характеристика (рис.4.6). Как правило, на ней можно выделить две основные зоны: токов перегрузки и токов КЗ.

Срабатывание выключателя в зоне токов перегрузки характеризуется значением уставки тока расцепителя I_r (Это значение может совпадать с номинальным током аппарата I_n.) Выключатели на токи более 125 А, как правило, имеют возможность регулировки уставки тока расцепителя, иногда в довольно широких пределах - (0, 4... 1) I_n.

Для задания допуска на параметры режима перегрузки введены понятия условного тока несрабатывания I_nt и условного тока срабатывания I_t выключателя (см. рис.4.7). При токе I_nt выключатель обязан сработать за время, не меньшее условного времени t _усл, а при токе I_t - не большее t _усл. Условное время определяется стандартами или иными нормами. Для автоматических выключателей обычно t _усл = 1 ч. При больших токах перегрузки характеристика имеет обратнозависимый от времени характер. При КЗ срабатывание происходит мгновенно, если ток превышает значение I_sd.

Рис. 4.7. Времятоковая характеристика срабатывания выключателя:

1, 2 - границы наименьшего и наибольшего допустимого тока, вызывающего срабатывание при заданном времени срабатывания

В зависимости от типа и исполнения выключателя времятоковая характеристика может иметь и несколько разграниченных зон. Например, срабатывание выключателя при КЗ может происходить мгновенно или с малой выдержкой времени. Уставка мгновенного срабатывания I_i, (рис. 4.8) - это действующее значение тока, при достижении которого выключатель практически мгновенно размыкает свои главные контакты.

При уставке тока срабатывания I_sd с выдержкой времени t_sd выключатель срабатывает не мгновенно, как на рис. 4.7, а с некоторой задержкой. Эта выдержка времени t_sd принудительно устанавливается на выключателе, чтобы обеспечить согласованную работу нескольких последовательно соединенных выключателей. Токи I_i и I_sd могут задаваться абсолютным значением тока срабатывания выключателя или кратностью тока уставки к номинальному току расцепителя I_r или к номинальному току выключателя.

В зависимости от возможности задания выдержки времени выключатели подразделяются на две категории: А и Б (англ. В). Выключатели категории А не имеют выдержки времени при отключении; в категории Б существует возможность установки выдержки времени для обеспечения временной селективности. К категории А относятся все модульные выключатели и некоторые исполнения выключателей в литом корпусе, а к категории Б - выключатели в литом или изолированном корпусе. Токоограничивающие выключатели обычно относятся к категории А.

Способность выключателя реализовать защиту от токов КЗ характеризуется отключающей способностью, которая определяется действующим значением ожидаемого тока КЗ - I _Кз.ож, который способен отключать выключатель при установленном напряжении в предписанных условиях эксплуатации и поведения.

Рис. 4.8. Регулируемые параметры характеристики срабатывания (защитной характеристики): Ir - уставка защиты от перегрузок (с обратно зависимой выдержкой времени); tr - выдержка времени при фиксированном значении тока пере-грузки; Isd - уставка защиты (от токов КЗ) с малой выдержкой времени; - выдержка времени при токах КЗ; Ii - уставка мгновенного срабатывания без выдержки времени

Различают предельную наибольшую (I_cu) и рабочую наибольшую (I_cs) отключающие способности. Цикл предписанных испытаний с отключением тока I_cu выключатель обязан выполнить хотя бы один раз, и после этого он может остаться неработоспособным; а ток I_cs выключатель обязан отключить как минимум 3 раза. Рабочая отключающая способность I_cs задается в процентах от предельной I_cu. У многих современных зарубежных выключателей это соотношение составляет 100 %.

Способность аппарата включать сеть при существующем в ней КЗ характеризует номинальная наибольшая включающая способность I_cm. Это максимальное ударное (пиковое) значение тока КЗ, которое не препятствует включению и последующему отключению аппарата, при включении его в сеть с существующим в сети коротким замыканием.

Термическая стойкость аппарата характеризуется наибольшим кратковременно допустимым током I_cw. Ток I_cw - такой ток, действующее значение которого аппарат может проводить без повреждений в течение определенного короткого времени t. Длительность прохождения I_cw должна составлять по крайней мере 0, 05 с. Произведение квадрата тока I_cw на длительность t его прохождения (I²t) является допустимым для выключателя интегралом Джоуля. В технической документации иногда этот ток называют допустимым сквозным током, подчеркивая тем самым, что речь идет только о протекании такого тока через аппарат, когда сам этот аппарат не производит его отключения.

Обобщим приведенные характеристики и параметры АВ применительно к традиционно сложившейся терминологии в России.

АВ характеризуется следующими параметрами:

Номинальный ток (I _Н) – ток, прохождение которого по токоведущим частям допустимо в течение длительного времени, температура всех частей выключателя не превышает допустимых величин;

Номинальный ток расцепителя (I _НР), (I_r) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и по расцепителям допустимо в течение длительного времени и не приводит к отключению выключателя;

Ток срабатывания расцепителя при перегрузке (I _СП), (I_nt) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и расцепителям выключателя приводит к обязательному отключению выключателя за время, не меньшее условного времени t _усл (обычно t _усл = 1 ч),

Ток срабатывания расцепителя при КЗ, ток срабатывания отсечки (I _СО), (I_i) – ток, прохождение которого по токоведущим частям и расцепителям выключателя приводит к обязательному отключению выключателя за время, возможно минимальное. Это действующее значение тока, при достижении которого выключатель практически мгновенно размыкает свои главные контакты или размыкает с выдержкой времени t_sd, которая принудительно устанавливается на выключателе, чтобы обеспечить согласованную работу нескольких последовательно включенных АВ в схеме электроснабжения;

Номинальное напряжение - напряжение, при котором может применяться АВ данного типа (по условиям диэлектрической прочности изоляции);

Предельный ток отключения - максимальный ток, который может отключить АВ не разрушаясь;

Собственное время отключения - время от подачи импульса на отключение до момента начала расхождения контактов;

Полное время отключения - это собственное время отключения АВ плюс время гашения дуги.

Если собственное время отключения АВ меньше 0, 01 с (половина периода переменного тока частотой 50 Гц), то автомат называется быстродействующим. В этом случае ток в цепи короткого замыкания (к.з.) не успевает достичь максимального установившегося значения, т.е. имеет место эффект токоограничения. Быстродействующие автоматы применяются для защиты элементов системы электроснабжения, для которых недопустима даже кратковременная перегрузка по току (например, АВ типа ВА47 – 36, 38 отключает полупроводниковые преобразователи за время - 0, 001с). В данной работе изучаются нормальные выключатели, т.е. такие АВ, собственное время отключения которых (в зависимости от номинального тока и конструкции) лежит в пределах 0, 015-0, 15 с.

Одним из основных элементов АВ являются расцепители. Расцепитель - это элемент защиты, который воздействует на механизм свободного расцепления, т.е. отключает АВ при отклонении значения контролируемого параметра от установленного. Расцепители бывают следующих видов:

1) расцепители тока (максимальные расцепители):

а) мгновенного действия для защиты от тока КЗ,

б) замедленного действия для защиты от перегрузки;

2) расцепители напряжения:

а) минимального напряжения (минимальный расцепитель) для отключения АВ при снижении напряжения ниже определенного уровня.

б) независимый расцепитель для дистанционного отключения АВ.

Максимальные токовые расцепители задают защитную времятоковую характеристику срабатывания АВ. Времятоковая характеристика рис.4.9 представляет собой зависимость времени срабатывания АВ от тока t = f (I) или кратности тока t = f (I / I _НР) где I _НР (I _n)- номинальный ток расцепителя (ток, прохождение которого в течении неограниченного времени не вызывает срабатывание расцепителя). В целях уменьшения количества типоразмеров АВ, выключатели одного " габарита" могут комплектоваться различными по величине тока максимальными расцепителями. Поэтому номинальный ток выключателя (I _Н) и номинальный ток расцепителя (I _НР) совпадают только в случае применения для АВ максимально возможного расцепителя.

Рис. 4.9. Времятоковая защитная характеристика автоматического выключателя

Времятоковая характеристика в общем случае имеет обратно зависимую от тока часть - I, в которой обеспечивается защита от перегрузки (область перегрузки), и независимую от тока часть - II, где обеспечивается защита от КЗ (область КЗ.). Время срабатывания АВ в области КЗ (t _СО) равно собственному времени отключения или времени установленному согласно требования селективности отключения (время уставки – 0, 1 ÷ 0, 7 с, только у селективных АВ). Селективность - это свойство аппаратов защиты отключать именно поврежденный участок электрической сети. Одной из важнейших характеристик АВ является ток уставки расцепителя - это наименьшее значение тока, при прохождении которого расцепитель срабатывает. Различают ток уставки в области перегрузки (I _СП, обычно I _СП = l, 25 I _НР) и ток уставки в области КЗ (I _СО), иногда его называют током отсечки т.к. он как бы отсекает обратно зависимую от тока защитную характеристику АВ. Ток отсечки может быть установлен в процессе эксплуатации у АВ типа А3700, " Электрон", АВМ, ВА (I _СО = 2, 3, 5, 7, 10 I _НР) или является нерегулируемым у АВ типа АЕ–20 (I _СО =12 I _НР). Цифры, характеризующие отношение I _СП/ I _НР и I _СО / I _НР называются кратностью уставки тока при перегрузке и кратностью тока отсечки.

Приведенную время-оковую характеристику рис.4.9 можно обеспечить различными видами расцепителей:

а) комбинированным расцепителем, т.е. сочетанием теплового и электромагнитного расцепителя у автоматов типа АЕ-20 и А3705(6)Б, Ф; ВА51(52)-39; а также сочетанием полупроводникового и электромагнитного расцепителя у АВ типа А3703(4)Б, С;

б) полупроводниковым (микропроцессорным) расцепителем у АВ типа А3703С4 Б, С, " Электрон", ВА53(55)-41, 43;

в) электромагнитным расцепителем в сочетании с реле времени в области перегрузки и механического замедлителя расцепления, в области КЗ у выключателя типа АВМ.

АВ в общем виде сочетают функции рубильника и плавкого предохранителя, но обладают рядом преимуществ: 1) более высокая оперативность (не требуется замена плавких вставок, постоянная готовность к включению); 2) отключение происходит одновременно всех трех фаз (что устраняет опасные неполнофазные режимы, свойственные предохранителям); 3) время-токовые характеристики АВ более стабильны, чем у предохранителей.