Глава семнадцатая
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ (АВТОМАТЫ)
17.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Автоматические воздушные выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения электрической цепи при перегрузках, КЗ, чрезмерном понижении напряжения питания, изменении направления мощности и т. п., а также для редких включений и отключений вручную номинальных токов нагрузки.
К автоматам предъявляются следующие требования.
1. Токоведущая цепь автомата должна пропускать номинальный ток в течение сколь угодно длительного времени. Режим продолжительного включения для автомата является нормальным. Токоведущая система автомата может подвергаться воздействию больших токов КЗ как при замкнутых контактах, так и при включении на существующее КЗ.
2. Автомат должен обеспечивать многократное отключение предельных токов КЗ, которые могут достигать сотен килоампер. После отключения этих токов автомат должен быть пригоден для длительного пропускания номинального тока.
3. Для обеспечения электродинамической и термической стойкости энергоустановок, уменьшения разрушений и других последствий, вызываемых токами КЗ, автоматы должны иметь малое время отключения. С целью уменьшения габаритных размеров распределительного устройства и повышения безопасности обслуживания необходима минимальная зона выхлопа нагретых и ионизированных газов в процессе гашения дуги.
4. Элементы защиты автомата должны обеспечивать необходимые токи и времена срабатывания и селективность (§ 16.5).
В зависимости от вида воздействующей величины автоматы делятся на максимальные автоматы по току, минимальные автоматы по току, минимальные автоматы по напряжению, автоматы обратного тока, максимальные автоматы, работающие по производной тока, поляризованные максимальные автоматы (отключают цепь 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 — максимальная по току и минимальная по напряжению. Автоматы, удовлетворяющие этим требованиям, называются универсальными.
Автоматы общепромышленного и бытового применения обычно имеют лишь максимально-токовую 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.
В любом автомате есть следующие основные узлы: токоведущая цепь, дугогасительная система, привод автомата, механизм автомата, механизм свободного расцепления и элементы защиты — расцепители.
В автомате на ток более 200 А (рис. 17.1) токоведущая цепь имеет главные 3 и дугогасительные / контакты. Включение автомата может производиться вручную рукояткой 12 или электромагнитом 4. Звенья 6, 7 и упор 13 образуют механизм свободного расцепления. Отключение автомата может производиться рукояткой 12 или с помощью тепловых и электромагнитных расцепителей 5, 8, 10, 11. Необходимая скорость расхождения контактов обеспечивается пружиной 9. Гашение дуги происходит в камере 2.
Основными параметрами автоматов являются: 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 /ср, до начала расхождения его контактов. После расхождения контактов возникающая электрическая дуга должна быть погашена за наименьшее время с перенапряжение, не представляющим опасности для остального оборудования.
На рис. 17.2, а показано изменение тока и напряжения на контактах в процессе отключения для небыстродействующего автомата, а на рис. 17.2,6 — для быстродействующего. Ради простоты примем, что до КЗ ток нагрузки £и = 0. Установившийся ток КЗ — /к,уст- От момента начала КЗ ток растет по закону экспоненты до значения тока срабатывания автомата /ср (время /0). Время t0 зависит от уставки по току срабатывания и скорости нарастания тока, которая определяется параметрами цепи КЗ.
Рис. 17.1. Принципиальная схема автомата
После этого до момента размыкания контактов проходит время t\. Это время тратится на работу механизма расцепления, выбор провала контактов и является собственным временем отключения автомата. После расхождения контактов дуга гаснет за время /2. Время, равное ^0™ = ^0+^1+^2, является полным временем отключения автомата.
Рис. 17.2. Изменение тока цепи и напряжения на контактах в процессе отключения
Собственное время отключения автомата зависит от способа расцепления и конструкции контактов, массы подвижных частей и других факторов. Если ^0,01 с, то автомат называется обыкновенным (небыстродействующим). В этом случае к моменту размыкания контактов цепи ток достигает установившегося значения /к,уст. Такой автомат не обеспечивает токоограничения и его контактами отключается установившийся ток КЗ.
В быстродействующих автоматах время t\ 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 КЗ. Благодаря этому облегчается работа самого автомата, уменьшается термическая и динамическая нагрузка аппаратуры и оборудования. С увеличением скорости возрастания тока эффект токоограничения уменьшается, так как к моменту расхождения контактов ток достигает больших значений. Для получения токоограничения в этих автоматах применяются устройства, реагирующие не на ток, а на скорость его нарастания.