Автоматические выключатели

Автоматические выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения цепей постоянного и переменного тока при перегрузках, коротких замыканиях и других нарушениях режима работы цепи. Но с их помощью можно в случае необходимости осуществлять и ручное выключение или включение соответствующих электрических установок. При правильном их выборе обеспечивают более совершенную защиту, чем предохранители в электроустановках и электрических цепях переменного и постоянного тока напряжением до 500 В. Для выполнения этих функций автомат имеет контактную систему, замыкание и размыкание которой осуществляется вручную и с помощью рукоятки или кнопки. Автомат отключается расцепителем, имеющим определенный ток срабатывания. Применяют расцепители тепловые, электромагнитные и комбинированные, состоящие из теплового и электромагнитного элементов, действующих на отключение независимо. В тепловых расцепителях используют биметаллические пластины. При перегрузке в защищаемой сети один из концов биметаллической пластины изгибается и срабатывает механизм расцепителя, отключающий цепь. Автомат с электромагнитным расцепителем в каждой фазе имеет электромагнитное реле максимального тока. В случае превышения силы тока в защищаемой цепи выше установленного значения, определяемого силой тока уставки автомата, сердечник реле приходит в движение и с помощью механизма отключения выключает цепь. Такое отключение называют отсечкой. В автоматах с комбинированным расцепителем на отключающий механизм воздействуют исполнительные органы как электромагнитного, так и теплового реле. При нарушениях режима работы цепи электромагнитный расцепитель отключает цепь в течение короткого промежутка времени. Продолжительность срабатывания электромагнитных расцепителей практически не зависит от силы тока, при условии, что значение силы тока в цепи больше силы тока уставки расцепителя. Продолжительность же срабатывания автомата с тепловым расцепителем зависит от силы тока (при увеличении силы тока, проходящего через нагревательный элемент, время срабатывания расцепителя уменьшается).

Автомат работает следующим образом рисунок 3.6, а.. Контролируемый ток I протекает через контакт 1 автомата, нагреватель теплового реле 6, катушку 9 реле максимального тока. При коротком замыкании в контролируемой цепи сердечника 10 максимального реле втягивается в катушку 9 и толкателем 8 воздействует на рычаг 5. Последний поворачивается по часовой стрелке и приподнимает защелку 4. Освобождается рычаг 3 и под действием пружины 2 контакты 1 автомата размыкаются.

Рисунок 3.6 – Схема автоматического выключателя

Аналогичным образом происходит отключение автомата при перегрузке цепи, когда ток в ней больше номинального (расчетного), но меньше тока короткого замыкания.

Пример схемы включения автомата QF для подключения и защиты трехфазного асинхронного двигателя приведен на рисунке 3.6, б.

Достоинства автоматов по сравнению с предохранителями – одновременное отключение всех фаз сети, что исключает неполнофазые режимы, постоянная готовность к работе (не требуется замена сгоревших вставок, как у предохранителя).

Контактная система автоматов максимального тока обычно состоит из двух контактов на каждую фазу. Контакты рассчитаны на длительное обтекание рабочим током нагрузки и поэтому должны иметь минимальное переходное сопротивление. В большинстве конструкций они изготовлены в виде массивных медных пластин, которые с контактной стороны серебрят или приваривают к ним серебряные контактные пластинки. Это делается для снижения переходного сопротивления рабочих контактов, так как при работе на воздухе серебро не окисляется и переходное сопротивление между подвижными и неподвижными контактами в процессе эксплуатации сохраняется достаточно малым.

Чтобы обеспечить необходимую дугогасительную способность автоматов, как при нормальном режиме, так и при режиме короткого замыкания, автоматы снабжают асбестоцементными или керамическими камерами со стальными дугогасительными решетками, см. рисунок 3.7.

а – со стальными пластинами; б – с пластинами из дугостойкого изоляционного материала; 1 – неподвижный контакт; 2 – пластины решетки; 3 – подвижный контакт.

Рисунок 3.7 – Дугогасительные решетки

Принцип действия камеры с решеткой следующий. Возникающая между контактами автомата дуга при отключении перемещается по этим контактам вверх (это перемещение вызвано конвекционным потоком воздуха и электродинамическими силами, действующими на дугу) и входит в камеру, где попадает в щель между расположенными перпендикулярно дуге стальными пластинами. Дуга подобна проводнику с током, и, следовательно, ее охватывают силовые линии электромагнитного поля. Эти линии стремятся наиболее полно замыкаться по стали пластин, что вызывает дальнейшее затягивание дуги в щели решетки в верхнюю часть камеры. При этом длина дуги увеличивается, и она дробится на ряд коротких последовательно включенных дуг, горящих в щели между пластинами. При соприкосновении с пластинами дуги интенсивно охлаждаются, при этом нарастает общее сопротивление дуги, и она гаснет, не выходя за пределы решетки. Такие решетки позволяют создавать автоматы, гасительная способность, которых достаточна для отключения токов короткого замыкания в несколько десятков тысяч ампер.

Автоматы, используемые для защиты электрических цепей от различных нарушений режима, называют универсальными. Они разнообразны по конструкции и рассчитаны на широкий диапазон номинальных токов. Автоматы, предназначенные для защиты цепей только от перегрузок и токов короткого замыкания, называются установочными.

Автоматы выпускают с тепловыми Т, электромагнитными М, комбинированными МТ и минимального напряжения Н расцепителями. Наличие того или иного расцепителя у автомата может быть отражено в его условном обозначении. Например, АП-503МТ, здесь: А – автомат; П – промышленный; 50 – наибольший номинальный ток; 3 – число расцепителей; МТ – комбинированный расцепитель.

Автоматические выключатели относятся к защитным аппаратам многократного действия. Их можно разделить на две группы: автоматы без регулировки силы тока уставки тепловых расцепитилей с регулировкой силы тока уставки расцепитилей. К нерегулируемым автоматам относятся выключатели серии А-3100, АЕ–1000, АЕ–2000, АК-63,АБ-25. Выключатели серий АП-50, А-3700, АВ, АВМ – регулируемые. Автоматы А-3100, выпускаемые без расцепитилей, используют, как обычные коммутирующие аппараты и рассчитаны на 5 – 20 тыс. включений и отключений. Автоматы серии АЕ–2000, имеющие в каждом полюсе тепловые и электромагнитные расцепители. Эти автоматы выпускают на токи от 10 до 100 А. Конструкции некоторых серий автоматов весьма сложны. Есть, например, автоматы с часовым механизмом, с электродвигательным приводом для включения, с гидравлическим замедлителем отключения расцепителя.

Устройство резьбового автоматического предохранителя типа ПАР показано на рисунке 3.3.3. При включенном автомате рисунок 3.8, а ток проходит от центрального контакта 10 через неподвижные контакты 6 и 11, соединенные контактным мостиком 5, биметаллическую пластину 12, гибкий проводник 14 и обмотку электромагнита 15 к резьбовой гильзе 7. Под действием тока нагрузки биметаллическая пластина нагревается и несколько изгибается, а в электромагните возникает сила, действующая на сердечник 16 и направленная вниз, внутрь электромагнита. Однако если сила тока не превосходит допустимую, ни изгибание пластины, ни усилие, возникающее в электромагните, не могут изменить положения деталей автомата, и он остается включенным. При возникновении длительной перегрузки биметаллическая пластина изгибается, штифт 13, связанный с нею, перемещается влево и переходит в положение, изображенное на рисунке 3.8,б. При этом рычаг 4 соскакивает со штифта 13, пружина 9 выталкивает вверх деталь 8, рычаг поворачивается вокруг оси 0, и благодаря этому автомат отключается. После того как биметаллическая пластина остынет, автомат снова может быть включен.

Чтобы включить автомат, нужно нажать кнопку 1, при этом рычаг 4 повернется вокруг оси 0 и займет положение, показанное на рисунке 3.8, а, контакты 6 и 11 замкнутся, а механизм во включенном положении будет зафиксирован благодаря тому, что левый конец рычага удерживается штифтом 13, а правый - защелкой 3.

При коротком замыкании явления протекают иначе: резкое и значительное возрастание силы тока вызывает втягивание сердечника 16 вниз, защелка 3 при этом поворачивается вокруг оси 0₁, освобождает рычаг 4, и автомат мгновенно отключается. Такое мгновенное отключение, как уже говорилось, носит название отсечки.

Пружина 17 определяет необходимое положение защелки 3 и сердечника 16 электромагнита. Пружина 18 создает контактное нажатие.

Рисунок 3.8 – Устройство и принцип действия простейшего автоматического выключателя

Выбор автоматических выключателей. Номинальный ток автоматического выключателя с тепловым расцепителем выбирается по длительному расчетному току защищаемой линии

,

где I _дал=I _ном.дв. для одиночного электродвигателя и I _дл = I _расч. для группы электродвигателей.

Ток отсечки (срабатывания) электромагнитного или комбинированного расцепителя проверяют по максимальному кратковременному (пиковому) току линии.

=

где I _ср.эл. – ток отсечки расцепителя, А;

k – коэффициент, учитывающий разброс характеристики расцепителей автоматического выключателя.

Для автоматических выключателей серии А – 3100, АЕ – 2000 значение k принимается 1,4. Для автоматов других серий при отсутствии паспортных данных можно принимать k = 1,25…1,3.

Ток I _пик. ответвления, питающего одиночный двигатель, принимают равным пусковому току. Ток I _пик для линии, питающей группу (более трех) токоприемников, определяют по формуле:

,

где  - расчетный ток линии, А;

 - номинальный ток и кратность пускового тока двигателя, имеющего наибольшой пусковой ток;

   - сумма номинальных токов всех двигателей группы, А.