Расцепители автоматов. Принцип действия. Конструкция и виды расцепителей.

Расцепители автоматов. Принцип действия. Конструкция и виды расцепителей.

Определение расцепителя

Расцепители разделим на две условные группы:

• расцепители для защиты цепей;
• расцепители выполняющие вспомогательные функции.

Расцепителем (первая группа), применительно к автоматическому выключателю, называется устройство способное распознавать критическую ситуацию (появление сверхтока) и заблаговременно пресекать её развитие (вызывать расхождение главных контактов).

Во вторую группу расцепителей можно выделить дополнительные устройства (ими не комплектуют базовые исполнения автоматов, а снабжают лишь заказные исполнения):

• независимый расцепитель (дистанционное отключение автоматического выключателя по сигналу из вспомогательной цепи);
• расцепитель минимального напряжения (отключает автомат при падении напряжения ниже допустимого);
• расцепитель нулевого напряжения (вызывает расцепление контактов при существенном падении напряжения).

Определения терминов, встречающихся ниже

Под сверхтоком понимается сила тока превышающая номинальный (рабочий) ток. Под это определение попадает ток короткого замыкания и ток перегрузки.

Ток перегрузки – сверхток, действующий в функциональной сети (длительное воздействие перегрузок может вызвать повреждение цепи).
Ток короткого замыкания (КЗ) – сверхток, который обусловлен замыканием двух элементов с очень низким полным сопротивлением между ними, при этом в нормальной работе эти элементы наделены различным потенциалом (замыкание накоротко может быть вызвано не верным подсоединением или повреждением). Например, механические воздействия или старение изоляции, вызывает соприкосновение токопроводящих жил и короткое замыкание.
Высокое значение тока короткого замыкания распознаётся из формулы:
I = U / R (сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению).
Следовательно, как только R → к 0, тогда I → к бесконечности.

Через главные контакты в автоматическом выключателе при нормальной эксплуатации протекает номинальный ток. Механизм свободного расцепления коммутационного аппарата имеет чувствительные элементы (например, поворотная отключающая рейка). Воздействие расцепителя на эти элементы способствует мгновенному автоматическому срабатыванию, то есть расцеплению контактной системы.

Максимальный расцепитель тока (МРТ) – расцепитель, вызывающий размыкание главных контактов с выдерживанием некоторого промежутка времени или без него, как только действующее значение тока превышает заданный порог.
МРТ с обратнозависимой выдержкой времени – максимальный расцепитель тока, инициирующий расцепление контактов после истекания заданного времени, которое обратнозависимо от силы тока.
МРТ прямого действия – максимальныйрасцепитель тока, инициирующий срабатывание непосредственно от действующего сверхтока.

Определения максимального расцепителя тока, тока КЗ и перегрузки взяты (перефразированы без потери смысла) из стандарта ГОСТ Р 50345.

Тепловой расцепитель

Тепловой расцепитель представляет собой биметаллическую пластину, которая при нагревании изгибается и воздействует на механизм свободного расцепления.
Биметаллическую пластину изготавливают методом механического соединения двух металлических лент. Выбираются два материала с разными коэффициентами температурного расширения и соединяются между собой с помощью спаивания, заклёпывания или свариваются.
Допустим, нижний материал в биметаллической пластине при нагревании удлиняется меньше, чем верхний металл, тогда изгиб произойдёт вниз.

Тепловой расцепитель защищает от токов перегрузки и настраивается на определённые режимы срабатывания.

Например, для изделия серии ВА 51-35 расцепитель перегрузки калибруется при температуре +30ºС на:

• условный ток нерасцепления 1,05·In (время 1 час для In ≤ 63А и 2 часа для In ≥ 80А);
• условный ток расцепления 1,3·In для переменного тока и 1,35·In для постоянного тока.

Обозначение 1,05·In – означает кратность номинальному току. Например, при номинальном токе In = 100А условный ток нерасцепления равен 105А.
На времятоковых характеристиках (графики всегда имеются в заводских каталогах) наглядно показывается зависимость времени срабатывания теплового и электромагнитного расцепителей от значения протекающего сверхтока.

Преимущества:

• нет трущихся поверхностей;
• обладают хорошей вибростойкостью;
• легко переносят загрязнение;
• простота конструкции → низкая цена.

Недостатки:

• постоянно потребляют электрическую энергию;
• чувствительны к изменениям температуры окружающей среды;
• при нагреве от сторонних источников могут вызывать ложные срабатывания.

Электронный расцепитель

Состоит в принципе из тех же частей, что и полупроводниковый расцепитель: исполнительный электромагнит, измерительные устройства и блок управления расцепителем.

Ступенчато устанавливается рабочий ток и время выдержки, гарантирует протекцию при однофазном замыкании и при пусковых токах.
Пример: изделия серии ВА 88-43 с электронным расцепителем выпуска компании «ИЭК».

Достоинства:

• разнообразный выбор настроек нужных пользователю;
• высокая точность исполнения заданной программы;
• индикаторы работоспособности и причины срабатывания;
• логическая селективность с вышестоящими и нижестоящими выключателями.

Минусы:

• высокая цена;
• хрупкий блок управления;
• подверженность к воздействию электромагнитных полей.

Независимый расцепитель

С помощью независимогорасцепителя (НР) осуществляют удалённое управление конкретным автоматическим выключателем. На катушку независимого расцепителя подаётся напряжение из цепи управления, создаётся магнитное поле, перемещается сердечник, воздействует на механизм свободного расцепления.
Независимый расцепитель может быть рассчитан на переменный или постоянный ток (производитель указывает линейку напряжений).
НР допускает колебания рабочего напряжения в диапазоне от 0,7 до 1,2 от Un. Режим его работы кратковременный.
После срабатывания независимого расцепителя нужно идти к распределительному щиту и в ручную взводить автоматический выключатель, а затем производить его включение.
Альтернативой НР может служить электромагнитный привод – он позволяет дистанционно как отключать, так и включать автоматический выключатель.

Наиболее частое применение – дистанционное отключение коммутационного аппарата, контролирующего вентиляционную систему, при возникновении пожара. При фиксировании возгорания вентиляция выключается, чтобы в здание не нагнетался воздух (кислород).

Электродинамические силы

Электродинамические силы воздействует на проводник, с протекающим по нему током, который находится в магнитном поле с индукцией В.
При протекании номинального тока электродинамические силы незначительны, но при появлении тока КЗ эти силы могут привести не только к деформации и поломке отдельных частей коммутационного аппарата, но и разрушению самого автомата.
Производятся специальные расчёты на электродинамическую стойкость, которые особенно актуальны при тенденции к уменьшению габаритных характеристик (сокращаются расстояния между токопроводящими частями).

Магнитное поле

Магнитное поле является одним из факторов, порождающих электродинамические силы.
Магнитные поля отрицательно влияют на работу электрооборудования, особенно это касается измерительных приборов и компьютеров.

Тепловое напряжение (перегрев)

При протекании через проводник любого тока с силой I, его жила разогревается, что может привести к возгораниям или повреждению изоляции.
При возникновении сверхтоков перегрев имеет актуальное значение, если не блокировать КЗ, давая достигать максимальных значений.

Номинальный ток

Под номинальным током (обозначают In) автоматического выключателя понимается ток, при котором аппарат рассчитан на продолжительную эксплуатацию и не активирует защитного срабатывания. Если указанный в маркировке ток превышен, автомат попрошествии определённого времени прерывает снабжение сети.

Небольшая оговорка:

• номинальный ток автоматического выключателя – ток, на проведение которого просчитаны токопроводящие элементы;
• номинальный ток теплового расцепителя – ток, на который настраиваются расцепляющие устройства (при нём срабатывания не вызывается).

В дальнейшем, под номинальным током будем подразумевать номинальный ток тепловогорасцепителя.
Номинальный ток является одной из определяющих характеристик автоматического выключателя, так как относительного этого значения просчитываются сверхтоки, при которых расцепителями вызывается размыкание контактов. Для верного выбора автоматического выключателя нужно знать номинальный ток сети.

Номинальный ток сети высчитывается из потребляемой мощности. Заведомо известно, какой прибор сколько потребляет мощности. Получают суммарную мощность и в первом приближении используют соотношение:
P = U · I, где Р – потребляемая мощность в ваттах, U – напряжение в сети в вольтах, I – ток в сети в амперах.

Но это формула верна для сети постоянного тока, для сети переменного тока всё намного сложнее.
Полная мощность (S) является векторной суммой активной мощности (Р) и реактивной мощности (Q):
S² = P² + Q².
В свою очередь:

• активная мощность P = I · U · Cosϕ;
• реактивная мощность Q = I · U · Sinϕ.

Где ϕ - угол, с которым ток отстаёт или опережает напряжение. Для измерения коэффициента реактивной мощности (Cosϕ) применяют фазометры.

Ток мгновенного расцепления (защитная характеристика В, С или D)

Автоматический выключатель характеризуется током, при котором вызывается мгновенное расцепление главной контактной группы. Это происходит при коротком замыкании, которое фиксирует и отключает электромагнитныйрасцепитель.

Для модульных и силовых автоматических выключателей характеристика мгновенной защиты указывается по-разному:

• модульным автоматам присваивается защитная характеристика: B, C, D;
• для силовых выключателей задаётся значение тока в амперах или число кратное номинальному току.

Быстродействующие автоматы

Достижение времени отключения 0,002-0,008 с требует специальных мероприятий и других принципов работы приводных электромагнитов. В известных конструкциях применяются следующие способы получения быстродействия:

1) по принципу вытеснения потока (быстродействие 0,003-0,005 с). Отключение автомата осуществляется не отключением катушек удерживающего электромагнита, а вытеснением потока из участка сердечник-якорь. При этом размагничивающий поток создается форсированно током КЗ.

2) механических защелок (замков) tо до 0,002 с. Включение также осуществляется кратковременно работающим электромагнитом, а удержание во включенном положении - механической (электромеханической) защелкой. Освобождение защелки производится отключающим электромагнитом, работающим в форсированном режиме, создаваемом током КЗ.

3) системы с ударным электромагнитом - работающий с большой форсировкой электромагнит создает "ударную силу", превосходящую силу удерживающего электромагнита и "отрывает" якорь, т.е. отключает выключатель.

4) выключатель со взрывным расцепителем - время отключения 0,001 с - не получили распространения из-за своей сложности.

5) вакуумные выключатели, обеспечивающие гашение дуги t0=0,003-0,007с. Примеры исполнения некоторыхвыключателей приведены ниже.

а) Выключатель БВП-5. Построен на принципе вытеснения магнитного поля. Он предназначен для защиты силовой цепи электровозов постоянного тока. Uном =4000 В, Umax=4000 В, Iном=1850 А, собственное время отключения 0,003с.

б) Выключатель постоянного тока вакуумный типа ВПТВ-15-5/400 на

Uном=15 кВ, Iном =400 А, Iоткл =5 кА.

в) Автомат серии ВАБ - 28 наиболее универсальный, Iном =1,5-6 кА, U=825-3300 В.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ

Высоковольтный выключатель — коммутационный аппарат, предназначенный для оперативных переключений и аварийных коммутаций в энергосистемах, для выполнения операций включения и отключения отдельных цепей или электрооборудования при ручном или автоматическом управлении.

Высоковольтный выключатель состоит из: контактной системы с дугогасительным устройством, токоведущих частей, корпуса, изоляционной конструкции и приводного механизма (например электромагнитный привод, ручной привод).

Параметры

В соответствии с ГОСТ Р 52565-2006 выключатели характеризуются следующими параметрами:

• номинальное напряжение Uном (напряжение сети, в которой работает выключатель);
• номинальный ток Iном (ток через включённый выключатель, при котором он может работать длительное время);
• номинальный ток отключения Iо.ном — наибольший ток короткого замыкания (действующее значение), который выключатель способен отключить при напряжении, равном наибольшему рабочему напряжению при заданных условиях восстанавливающегося напряжения и заданном цикле операций;
• допустимое относительное содержание апериодического тока в токе отключения;
• если выключатели предназначены для автоматического повторною включения (АПВ), то должны быть обеспечены циклы:

Цикл 1: О-tбп-ВО-180 с-ВО; Цикл 2: О—180 с—ВО−180 с-ВО, где О — операция отключения, ВО — операция включения и немедленного отключения, 180 — промежуток времени в секундах, tбп — гарантируемая для выключателей минимальная бестоковая пауза при АПВ (время от погасания дуги до появления тока при последующем включении) Для выключателей с АПВ должно быть в пределах 0,3-1,2 с, для выключателей с БАПВ (быстродействующей) 0,3 с.

• устойчивость при сквозных токах КЗ, которае характеризуется токами термической стойкости Iт и предельным сквозным током
• номинальный ток включения — ток КЗ, который выключатель с соответствующим приводом способен включить без приваривания контактов и других повреждений при Uном и заданном цикле.
• собственное время отключения — промежуток времени от момента подачи команды на отключение до момента начала расхождения дуго-гасительных контактов.
• параметры восстанавливающегося напряжения при номинальном токе отключения — скорость восстанавливающегося напряжения, нормированная кривая, коэффициент превышения амплитуды и восстанавливающегося напряжения.

Расцепители автоматов. Принцип действия. Конструкция и виды расцепителей.

Определение расцепителя

Расцепители разделим на две условные группы:

• расцепители для защиты цепей;
• расцепители выполняющие вспомогательные функции.

Расцепителем (первая группа), применительно к автоматическому выключателю, называется устройство способное распознавать критическую ситуацию (появление сверхтока) и заблаговременно пресекать её развитие (вызывать расхождение главных контактов).

Во вторую группу расцепителей можно выделить дополнительные устройства (ими не комплектуют базовые исполнения автоматов, а снабжают лишь заказные исполнения):

• независимый расцепитель (дистанционное отключение автоматического выключателя по сигналу из вспомогательной цепи);
• расцепитель минимального напряжения (отключает автомат при падении напряжения ниже допустимого);
• расцепитель нулевого напряжения (вызывает расцепление контактов при существенном падении напряжения).

Определения терминов, встречающихся ниже

Под сверхтоком понимается сила тока превышающая номинальный (рабочий) ток. Под это определение попадает ток короткого замыкания и ток перегрузки.

Ток перегрузки – сверхток, действующий в функциональной сети (длительное воздействие перегрузок может вызвать повреждение цепи).
Ток короткого замыкания (КЗ) – сверхток, который обусловлен замыканием двух элементов с очень низким полным сопротивлением между ними, при этом в нормальной работе эти элементы наделены различным потенциалом (замыкание накоротко может быть вызвано не верным подсоединением или повреждением). Например, механические воздействия или старение изоляции, вызывает соприкосновение токопроводящих жил и короткое замыкание.
Высокое значение тока короткого замыкания распознаётся из формулы:
I = U / R (сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению).
Следовательно, как только R → к 0, тогда I → к бесконечности.

Через главные контакты в автоматическом выключателе при нормальной эксплуатации протекает номинальный ток. Механизм свободного расцепления коммутационного аппарата имеет чувствительные элементы (например, поворотная отключающая рейка). Воздействие расцепителя на эти элементы способствует мгновенному автоматическому срабатыванию, то есть расцеплению контактной системы.

Максимальный расцепитель тока (МРТ) – расцепитель, вызывающий размыкание главных контактов с выдерживанием некоторого промежутка времени или без него, как только действующее значение тока превышает заданный порог.
МРТ с обратнозависимой выдержкой времени – максимальный расцепитель тока, инициирующий расцепление контактов после истекания заданного времени, которое обратнозависимо от силы тока.
МРТ прямого действия – максимальныйрасцепитель тока, инициирующий срабатывание непосредственно от действующего сверхтока.

Определения максимального расцепителя тока, тока КЗ и перегрузки взяты (перефразированы без потери смысла) из стандарта ГОСТ Р 50345.