Библиотека

Автоматический выключатель – это электромеханический коммутационный аппарат, способный включать, проводить и отключать токи при нормальных условиях в цепи, а также включать, проводить на протяжении обусловленного времени и отключать токи при определенных ненормальных условиях в цепи, таких как короткое замыкание. Требования к промышленным автоматическим выключателям сформулировано в международном стандарте ІЕС60947-2.

Хотя почти все рабочее время эти аппараты, которые применяются в системах распределения электроэнергии, находятся в замкнутом состоянии и работают при нормальных условиях в цепи, основным их предназначением является защита электроустановок от сверхтоков – перегрузок и коротких замыканий. Распространенным применением выключателей (как правило, специальной конструкции) является управление отдельными электроприемниками (чаще всего это электродвигатели), а при корректно выполненной системе заземления они обеспечивают защиту людей и животных от непрямых прикосновений.

Структура выключателя промышленного применения (рассмотрен двухполюсный вариант) приведена на рис. 1. Электрические связи между элементами структуры изображены сплошными линиями красного цвета, механические связи – контурными стрелками черного цвета.

Рис. 1. Структура выключателя промышленного применения: В – выводы, ГК – главный контакт, ДК – дугогасительный контакт, ДС – дуговая система, КВ – контакт вспомогательных цепей, МСР – механизм свободного расцепления, А – ручной акктуатор, РК – расцепитель для защиты от коротких замыканий, РП – расцепитель для защиты от перегрузок, РШ – шунтовый расцепитель, РН – расцепитель для защиты от понижения напряжения сети, ПД – дистанционный привод, ПР – ручной привод, ПП – пружинный привод, РВ – рычаг взвода пружины, I, O – кнопки управления включением и отключением через пружинный механический или дистанционный электрический привод.

Литой (пластиковый) корпус или металлический каркас обычно является общим для всех (от одного до четырех) полюсов выключателя промышленного назначения. Каждый полюс, кроме выводов, контактов и дугогасительных систем, имеет отдельные расцепители для защиты от коротких замыканий и перегрузок (в некоторых исполнениях выключателей защита от перегрузок не предусмотрена). Другие элементы конструкции являются общими для всех полюсов. Расцепители – это устройства, которые освобождают приспособления удержания главных контактов в замкнутом состоянии и разрешают размыкание или замыкание выключателя и, таким образом, совершают защиту электрических цепей и оборудования от ненормальных режимов. В выключателях обычно используются расцепители в виде электроиагнитов и биметаллов. Наиболее распространенными расцепителями, которые непосредственно встраиваются в корпус выключателя, являются:
• сверхтоковый расцепитель, он может быть рацепителем для защиты от перегрузок, который обычно является тепловым расцепителем или расцепителем для защиты от коротких замыканий – расцепитель мгновенного действия, который обычно является электромагнитом и который в отечественной технической литературе часто называют максимальным расцепителем;
• шунтовый или независимый расцепитель – для обеспечения срабатывания выключателя по команде извне;
• расцепитель понижения напряжения – для обеспечения срабатывания выключателя при снижении напряжения питания ниже определенного уровня.
Расцепители могут иметь возможность регулировки или не иметь такой возможности.

Защита от других ненормальных режимов осуществляется отдельными устройствами, которые контролируют наличие этих режимов и, когда соответственный режим становится опасным, выдают сигнал на шунтовый расцепитель с целью выполнения выключателем операции отключения.

Над корпусом выключателя может быть смонтирован механизм, который обеспечивает управление выключателем с помощью рычага, размещенного на внешней поверхности распределительного шкафа, в котором смонтирован выключатель (ручной привод), или электрический привод для дистанционного управления выключателем, или пружинный привод, пружины которого взводятся с помощью специального рычага, выведенного на поверхность выключателя.

Выключатели низкого напряжения при возникновении ненормальных условий в цепи должны срабатывать (размыкать цепь) автоматически. При этом срабатывание должно происходить даже в том случае, если извне приходит команда на замыкание контактов. Выключатели, которые обеспечивают указанную функцию, называются выключателями со свободным расцеплением, причем эту функцию обеспечивают специальные устройства, которые входят в состав аппарата, - механизмы свободного расцепления.

Механизм, изображенный на рис. 2, состоит из трех соединений между собой рычагов, обозначенных на схеме как L1, L2 и L3, причем рычаг L1 вращается вокруг оси О1, а рычаг L3, соединенный осью О3 с подвижным контактом, который вращается вокруг оси O2. кнопка, которая обеспечивает замыкание контактов (І), соединенная с рычагом L1 через ось О4. А кнопка, которая обеспечивает размыкание контактов (О), нажимает на рычаг L2, который вместе с рычагом L3 образуют так называемый «переламывающийся», который может вращаться вокруг оси, что объединяет эти рычаги, только в одну сторону. Пружина Р1 обеспечивает работу механизма свободного расцепления, а также способствует размыканию контактов. Движение рычагов и подвижного контакта ограничивается упорами S1, S2 и S3. пружины Р2 и Р3 обеспечивают возврат кнопок O и I в исходное положение.

Рис. 2. Возможная конструкция механизма свободного расцепления: а – положение отключения после автоматического срабатывания, б – взведение механизма нажатием на кнопку О, в – включение выключателя кнопкой І.

После автоматического срабатывания аппарата, который размыкает свои контакты, механизм свободного расцепления находится в состоянии, изображенном на рис. 2а. подвижный контакт прижимается пружиной Р1 к упору S3, а попытка включить контакты нажатием на кнопку на кнопку І приводит только к дальнейшему «переламыванию» рычагов L2 и L3.

Для обеспечения замыкания контактов аппарата сначала следует взвести механизм, нажав на кнопку О. при этом система рычагов L2 … L3 переходит в жесткое состояние, пружина Р1 действует в направлении дальнейшего размыкания контактов и вращения рычага L1 по часовой стрелке, но этому противодействуют упоры S2 и S3 (рис. 2б).

После взведения механизма следует нажать на кнопку І, движение которой направляет направляющая втулка, что приводит к замыканию контактов (рис. 2в). Если отпустить кнопку І, размыкание контактов не происходит, поскольку этому будет противодействовать рычаг L1, который прижимается к упору S1, фиксируя кнопку І в нажатом положении.

Автоматическое срабатывание происходит благодаря расцепителю, который, реагируя на определенный аварийный режим, бьет (электромагнитный расцепитель) или давит (биметаллический расцепитель) в место «переламывания» системы рычагов L2 – L3, «переламывает» их, а пружина переводит контакты и механизм в положение, которое соответствует позиции (а) рисунка, даже когда кнопка І удерживается в нажатом положении. К размыканию контактов приводит также и нажатие на кнопку О, которая, как и расцепитель, при замкнутых контактах «переламывает» систему рычагов.

Выключатели, применяемые в системах распределения электроэнергии, разделяют на две категории применения – А и В. Выключатели категории А не предназначены для обеспечения селективности при коротких замыканиях, они должны срабатывать без выдержки времени. Выключатели категории В специально предназначены для обеспечения селективности при коротких замыканиях, когда они должны срабатывать с выдержкой времени.

Основными количественными характеристиками выключателя является номинальное рабочее напряжение Ue, номинальный ток In, т.е. установленное производителем значение тока, который выключатель может выдерживать в беспрерывном режиме на открытом воздухе, а также номинальная рабочая способность к выключению коротких замыканий Ics и номинальная граничная способность к выключению коротких замыканий Icu. Обе последние характеристики выражаются в килоамперах и определяют как значение ожидаемого тока короткого замыкания, который выключатель способен отключить. Разница между Ics и Icu состоит в том, что после отключения тока Ics выключатель должен сохранять определенный уровень работоспособности указанный в стандарте ІЕС60947-2, а после отключения тока Icu выключатель может утратить работоспособность. Для выключателей категории В важной количественной характеристикой является номинальный кратковременно выдерживаемый ток – это значение тока, который выключатель должен выдерживать в течение определенного времени согласно с условиями испытаний, определенных стандартом.

Основной защитной характеристикой выключателя является время-токовая характеристика – кривая, показывающая зависимость времени, в частности времени расцепления, или времени размыкания или времени отключения, который состоит из времени размыкания и времени горения дуги, от ожидаемого тока при заданных условиях работы. В отличие от аналогычной характеристики предохранителя время-токовая характеристика выключателя имеет ступенчатый характер (рис. 3). В зоне перегрузки защита обеспечивается обычно биметаллическим расцепителем, а в зоне коротких замыканий – электромагнитным расцепителем. Границей, разделяющей указанные зоны, является ток уставки Is мгновенного расцепителя, который не должен срабатывать при токе 0,8Is и срабатывать быстрее, чем за 0,2 с при токе 1,2Is. Ток уставки обычно составляет 10In или 12In..

Рис. 3. Время-токовая характеристика выключателя (I – ожидаемый ток в цепи).

В зоне перегрузок задержка срабатывания является обратно-зависимой от времени: время срабатывания вблизи тока уставки может быть меньше секунды, а вблизи номинального тока может приближаться в двум часам. Согласно требований стандарта ІЕС60947-2 расцепление не должно наступать в течение определенного условного времени при токе 1,05In (условный ток нерасцепления), а при токе 1,3In (условный ток расцепления) расцепление должно происходить обязательно в течение того же самого времени. Значение условного времени определено в ІЕС60947-2 и составляет два часа при In>63А и один час при In≤63 А.

Выключатели категории А, конструкция которых предусматривает высокое быстродействие и эффективную дугогасительную систему, при мощных коротких замыканиях приобретает токоограничивающую способность – максимальное значения тока в цепи с таким выключателем может быть существенно меньшим чем пиковое значение ожидаемого тока короткого замыкания (рис. 4).

Рис. 4. Переходные процессы в однофазной цепи с тококоограничивающим выключателем: 1 – напряжение сети, 2 – ожидаемый ток (переходной процесс) сразу после возникновения короткого замыкания (КЗ) в момент t = 0, 3 – симметричная составляющая ожидаемого тока КЗ, 4 – ток КЗ в цепи с выключателем, 5 – напряжение на выводах выключателя, I_m – амплитуда тока КЗ в устоявшемся режиме, I_р – пиковое значение тока КЗ, I_mах – максимальное значение тока КЗ в цепи с выключателем, t₀ – момент размыкания контактов, φ – угол сдвига фаз напряжения и тока в устоявшемся режиме КЗ.

Выключатели с номинальными токами до 1600А производятся, как правило, в литых пластмассовых корпусах, а с большими номинальными токами (до 6300А) – в металлических каркасах (рис. 5). Современные выключатели категории В в своем составе имеют микроконтроллеры (микропроцессорные расцепители), которые позволяют регулировать время-токовую характеристику, приближая ее к характеристике повреждения объекта защиты, а также устанавливать кратковременные задержки для обеспечения селективности срабатывания с размещенными ближе к нагрузкам выключателями, которые должны срабатывать с меньшими задержками или без задержек (выключатели категории А), предупреждая нежелательные срабатывания выключателей, размещенных на более высоких уровнях (дальше от нагрузок).

Рис. 5. Современные селективные выключатели (категории В): а – в литом корпусе, б – в металлическом каркасе.

Выключатели могут иметь разные модификации (рис. 6) по типу их монтажа в распределительных устройствах: стационарные, втычные и выкатные. Стационарные выключатели монтируются непосредственно в распределительном устройстве. Втычные и выкатные выключатели состоят из основы с розеточными контактами, которая монтируется в распределительном устройстве, и собственно выключателя со штыревыми контактами, размещенными на задней поверхности корпуса. Для присоединения втычного выключателя его достаточно втыкнуть в основу. Основа выкатного выключателя имеет специальную консоль для навешивания при монтировании выключателя, который с помощью специальной рукоятки вкатывается в основу и присоединяется к соответствующей цепи в распределительном устройстве.

Рис. 6. Стационарный (а), втычной (б) и выкатной (в) выключатели.