Коммутационно-защитные аппараты — это устройства, служащие для включения, отключения и защиты электрических установок. К ним относятся автоматические выключатели различных типов.
Автоматические воздушные выключатели (АВВ) представляют собой коммутационно-защитные аппараты, отключающие защищаемую ими цепь при возникновении в ней ненормальных состояний (перегрузки или КЗ, понижение напряжения, обратный ток или мощность и др.).
Поскольку современные АВВ имеют независимый расцепитель, то, в принципе, может осуществляться отключение автомата по любой причине.
Кроме того, ряд АВВ имеет возможность дистанционного включения. В этом случае на автомат, кроме защиты, возлагаются функции дистанционного управляемого коммутационного аппарата.
В этой связи следует различать те функции, которые может выполнять сам АВВ, без учета устанавливаемых вне автомата различных реле и блокировок, и те функции, которые предписываются АВВ общей схемой защиты. Например, АВВ непосредственно сам не может осуществлять защиту от обратной мощности, но в совокупности с реле обратной мощности, включающим независимый расцепитель автомата, он осуществляет такую защиту.
Для выполнения защитных функций в автомат встраивают токовые электромагнитные реле, реле напряжения, тепловые реле, обычные электромагнитные реле — по типу промежуточных.
В отличие от реле, используемых в обычных схемах, встраиваемые в автомат реле своей подвижной системой воздействуют на механизм расцепления, обеспечивающий отключение автомата, поэтому здесь эти реле называются расцепителями. Перечисляя их в том же порядке, что и выше, можно назвать максимальные токовые, минимальные (напряжения), тепловые и независимые расцепители.
Кроме того, в автомат могут быть встроены электромагнитные реле времени с гильзой или с часовым (маятниковым) механизмом, которые обеспечивают задержки в срабатывании автомата.
Эти реле иногда называют замедлителями расцепления. В некоторых АВВ вместо таких замедлителей устанавливают масляный демпфер. Действие замедлителя может быть независимом, когда заданная выдержка обеспечивается независимо от перегрузки, включая ток КЗ, зависимым, когда выдержка времена будет зависеть от степени перегрузки, и ограниченно зависимым, когда замедлитель действует только при небольших перегрузках, а при значительных перегрузках и КЗ автомат отключается сразу, без выдержки времени. Действие автомата при перегрузках наглядно описывается ампер-секундной характеристикой.
На рис. 1, а приведена упрощенная схема автомата с максимальным расцепителем без замедлителя.
Рис. 1. Упрощенные принципиальные схемы АВВ и их ампер-секундные характеристики
Поскольку любой АВВ имеет собственное время срабатывания (0,05 0,25 с, в зависимости от конструкции), то автомат с максимальным расцепителем без замедлителя может рассматриваться как имеющий независимую ампер-секундную характеристику (выдержка времени равна собственному времени срабатывания).
К таким АВВ могут быть отнесены, например, установочные автоматы серии А3000 с электромагнитным расцепителем. Как только ток достигнет величины тока срабатывания Iср, автомат отключается, так как якорь 5, притянувшись к электромагниту 6, обтекаемому током нагрузки, повернет рычаг относительно оси 4, растянув пружину 3, освободив защелку 2. Главные контакты разомкнутся под действием отключающей пружины 1.
В выключателях с независимым замедлителем (селективные автоматы) задержка увеличивает время срабатывания выключателя до 0,6 с. Подобную характеристику имеют, например, автоматические выключатели АМ и А2000.
Отметим, что ампер-секундная характеристика автомата (рис. 1, б) будет иметь одинаковый вид у АВВ без замедлителя и у АВВ с независимым замедлителем. В первом случае t - собственное время АВВ, во втором — это время равно сумме собственного времени и времени выдержки замедлителя.
На рис. 1, в показана упрощенная схема АВВ с максимальным расцепителем (4, 5, 6) и ограниченно-зависимым замедлителем, а на рис. 1, г — его ампер-секундная характеристика.
При небольших токах перегрузки, близких к Iср, якорь 5, притягиваясь к электромагниту 6, вызовет растяжение пружины 3, служащей в качестве растяжимой тяги к реле времени РВ (замедлителю). Поскольку тянущая сила электромагнита мала, растяжение пружины 3 произойдет не полностью и расцепитель не коснется защелки 2 автомата. Замедлитель начнет отсчет времени. По истечении выдержки времени РВ рычаг коснется защелки и расцепит ее, автомат отключится. При большом токе пружина растянется больше, поэтому тяге от РВ понадобится меньший ход, а стало быть и меньшее время потребуется для расцепления защелки.
Начиная с некоторого тока, называемого током отсечки Iотс (Iотс значительно больше Iср), пружина 3, сразу растягиваясь, позволяет якорю максимального расцепителя 5 сбросить защелку еще до того, как начнется отсчет времени замедлителя расцепления. Часть характеристики выключателя, где время срабатывания зависит от тока, удобна для защиты цепи от перегрузки, а независимая часть этой характеристики полезна для быстрого отключения очень больших перегрузок и токов КЗ. Величину Iср регулируют пружиной 7, а Iотс — натяжением пружины 3.
Ограниченно-зависимую характеристику имеют неселективные выключатели серии АВ. Подобную характеристику имеют также установочные автоматы серии А3000 с комбинированным расцепителем, состоящим из теплового (биметаллического) и электромагнитного расцепителей. Оба расцепителя действуют на расцепляющий механизм независимо один от другого (рис. 1, д, е).
При перегрузках в зоне Iср—Iотс действует тепловой расцепитель, обеспечивающий зависимую ампер-секундную характеристику: чем больше ток, тем быстрее нагревается биметалл, тем скорее расцепляется защелка автомата. В зоне токов КЗ при I > Iотс срабатывает электромагнитный расцепитель, обеспечивая более быстрое, чем тепловым реле, отключение выключателя. Ограниченно-зависимую характеристику имеют также выключатели серии АВ с замедлителями расцепления.
Устанавливаемые в АВВ расцепители минимального напряжения позволяют автомату выполнять роль защиты цепи от пониженного напряжения. Работу такого АВВ легко себе представить, если в рассмотренных выше схемах подключить электромагнит 6 не последовательно, а параллельно защищаемой цепи, а якорь 5, оттягивая пружиной от электромагнита, механически связать с защелкой. При понижении напряжения ниже уставки якорь не способен удержаться электромагнитом и, отпадая от последнего, расцепляет автомат.
АВВ с расцепителями минимального напряжения в случае их применения в качестве генераторных автоматов, служат защитой, предотвращающей включение невозбужденного или не полностью возбужденного генератора на шины ГРЩ. Минимальные расцепители могут устанавливаться в выключателях серии А3700 и АМ.
Установочные автоматы, применяемые на судах (в отличие от универсальных воздушных выключателей, способных выполнять широкий круг задач), выполняют более узкие задачи - защиту от токов КЗ и перегрузок и по сравнению с универсальными рассчитаны на меньшие токи.
В качестве примера рассмотрим установочные автоматические выключатели серии А3000, выпускаемые на номинальные токи 100, 200 и 600 А. Они предназначены для нечастых коммутаций и защиты электрических цепей 220 В постоянного и 580 В переменного тока от перегрузок и КЗ.
В выключателях на 200 и 600 А имеются главные и дугогасительные контакты. При отключении автомата размываются сначала главные, а за ними дугогасительные контакты, что уменьшает дуговую эрозию главных контактов.
В выключателях на 100 А имеются только главные контакты. При отключении сначала размыкаются нижние (рабочие) части контактов, а затем верхние, что предотвращает разрушение рабочей поверхности контактов дугой.
Дугогасительное устройство АВВ серии А3000 выполнено в виде деионной решетки. Гашение дуги в такой камере выполняется ее дроблением на ряд мелких и быстро гаснущих дуг.
В выключатели этой серии могут быть встроены тепловые, электромагнитные или комбинированные расцепители (тепловые и электромагнитные совместно).
Выключатели А3120, А3130 и А3140, кроме того, могут поставляться с отключающими расцепителями и блок-контактами.
Тепловой расцепитель состоит из биметаллической пластины 11, подогреваемой током нагрузки. При изгибе пластины винт 10 (рис. 2), укрепленный на ней, повернет рычаг расцепления 12 и сместит защелку 8 на рычаге 9, что позволит пружине 13 отключить АВВ.
Электромагнитный расцепитель состоит из электромагнита 14, катушка которого включена в шину 2. При токе Iотс якорь 15 притягивается к электромагниту, рычаг 12 поворачивается, смещает защелку 8 — автомат отключается. На рис. 2 показаны также: 1 — основание из пластмассы; 3 — зажим; 4 — стальные пластины дугогасительной решетки; 5 — крышка; 6 — рукоятка; 7 - рычаг; 16 — изолированный вал; 17 — гибкий проводник; 18 - рычаг механизма свободного расцепления; 19, 20 — подвижый и неподвижный контакты.
При эксплуатации следует учитывать, что после срабатывания необходимо дать время (1—3 мин) для остывания биметалла, лишь после чего АВВ может быть включен. Уставки автомата — нерегулируемые.
Рис. 2. Разрез установочного автомата А3120 на 100 А, 500 В с комбинированным расцепителем
Механизм ручного привода имеет свободное расцепление, т. е. отключить автомат вручную можно всегда, независимо от состояния расцепителей, а включить вручную можно лишь тогда, когда нет перегрузки. При наличии перегрузки автомат отключается расцепителями в обычном порядке.
Электроизмерительные приборы (амперметры, вольтметры, частотомеры, ваттметры, фазометры, мегомметры и синхроноскопы) служат для контроля за нормальной работой электрических установок. Электроизмерительные приборы для распределительных устройств имеют специальное щитовое исполнение и выполняются с классом точности 1; 1,5 и 2,5.
Сопротивление изоляции катушек должно быть не ниже 10 МОм при температуре 40°С.
Регулировочная аппаратура устанавливается на распределительных щитах для ручного и автоматического регулирования электрических параметров. Это — регуляторы возбуждения ручные типа РВ и автоматические типа РУН, УБК-М и др.
Сигнальная аппаратура распределительных устройств включает приборы световой (оптической) и звуковой сигнализации. К приборам световой сигнализации относят мнемосхемы с подсветкой.
Сигнальные лампы устанавливают для контроля за состоянием электрических цепей, положением автоматов, срабатыванием защитных и блокировочных реле.
Световые табло — это те же сигнальные лампы или несколько ламп, находящихся в специальной арматуре, обеспечивающей высвечивание условных знаков, предупредительных надписей, команд.
Для системы световой сигнализации приняты следующие цвета: красный — аварийное состояние, опасность; желтый — внимание, на устройство подано питание, но устройство не включено в работу; зеленый — безопасность, устройство работает в нормальном режиме; синий — безопасность, устройство подготовлено к работе или работает в автоматизированном режиме; белый — общая информация, визуальная сигнализация на мнемосхемах. С целью более интенсивного привлечения внимания используют светосигнальные устройства прерывистого свечения —«мигающие». В этом случае в цепь лампы включают релейные или полуповодниковые прерыватели световой сигнализации.
Приборы звуковой сигнализации (звонки, ревуны, трещотки, сирены) устанавливают с целью привлечения внимания обслуживающего персонала при ненормальном или аварийном состоянии работающих агрегатов, цепей, аппаратов. Рекомендуется, например, устанавливать звуковую сигнализацию при снижении изоляции цепей или коротком замыкании на корпус, обесточивании рулевого электропривода и т. д.
