2.3. Расцепители

Для выполнения защитных функций выключатели снабжаются специальными устройствами, воздействующими в аварийных режимах на механизм свободного расцепления. В связи с этим они получили название — „расцепители". В зависимости от параметра аварийного режима, на который реагируют расцепители, они подразделяются на следующие основные типы:

• расцепители максимального тока, срабатывающие при увеличении тока в главной цепи аппарата выше определенного уровня — уставки;

• расцепители дифференциального тока, срабатывающие при сверх допустимой разности токов в полюсах аппарата;

• расцепители минимального напряжения, срабатывающие при снижении контролируемого напряжения ниже заданного уровня или при исчезновении напряжения — нулевые расцепители.

Наиболее опасным видом повреждений являются короткие замыкания. В электроустановках также часто возникают токовые перегрузки. Поэтому выключатели в первую очередь содержат расцепители максимального тока.

Выключатели, рассчитанные на массовое применение, особенно на номинальные токи ниже 630 А, например, отечественной серии ВА50-52 содержат наиболее простые, дешевые и надежные электромагнитные и термобиметаллические (тепловые) расцепители.

Электромагнитные расцепители по существу являются токовыми реле, которые срабатывают без выдержки времени и предназначены для защиты в зоне токов коротких замыканий.

В термобиметаллических расцепителях используется сила упругих деформаций, возникающих при нагревании термобиметаллического элемента (пластины из специального сплава с различным коэффициентом линейного расширения сторон пластины). Они выпускаются с прямым или косвенным подогревом. Термобиметаллические расцепители срабатывают с выдержкой времени обратно пропорциональной квадрату тока и применяются для защиты в зоне токов перегрузок.

В некоторых аппаратах применяются термомагнитные расцепители, в которых используется свойство ферромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость при нагреве током.

Вид защитной характеристики (зависимости времени срабатывания от тока) определяется назначением аппарата и перегрузочной способностью защищаемого объекта (двигатель, кабель и т.д.).

Н а рис.5 даны защитные характеристики выключателя

Рис. 5 Защитные характеристики автомата А3700

А3700 при двух уставках по времени на шкале расцепителя (зона 1 ¾ t_уст = 16 с, зона 2 ¾ t_уст = 4 с); на оси абсцисс отложено отношение реального тока i к номинальному току I_ном автоматического выключателя.

В распределительных электрических сетях при коротких замыканиях необходимо отключать только поврежденный участок с сохранением электроснабжения других потребителей. Селективность (избирательность) действия защиты обеспечивается в ряде случаев рациональным выбором уставок по току срабатывания электромагнитных расцепителей, а в основном используется иерархический ступенчато-временной принцип срабатывания аппаратов. В первых конструкциях так называемых «селективных» выключателей для этой цели использовались различные замедлители срабатывания электромагнитных расцепи-телей: пневматические, гидрав-лические, с анкерным механизмом.

Автоматические выключатели серии А3700 рассчитаны на напряжение до 440В постоянного тока и до 660В переменного тока и номинальную силу тока 160, 250, 400 и 630А. Уставки токов срабатывания выключателей составляют десятикратную величину их номинальных токов. Серийно изготовляются также автоматические выключатели типов АЕ2000 на номинальный ток до 100А; АК63 на номинальный ток до 63А; А63 на номинальный ток до 25А и т.п.

В связи с усложнением требований к качеству защиты низковольтных электроустановок (чувствительности, селективности, быстродействию и надежности) в шестидесятые годы появились полупроводниковые расцепители. В основном из-за высокой стоимости сначала их стали применять в многоамперных аппаратах (на номинальные токи свыше 1000 А). Сейчас они широко применяются в выключателях с номинальными токами свыше 160 А. В нашей стране первыми аппаратами с новым типом расцепителя были выключатели серии «Электрон» и выключатели серии А3700. В настоящее время им на смену пришли выключатели типа ВА-75 и ВА53-55, в которых расцепители выполнены на микроэлектронной элементной базе. В последние годы в расцепителях стали применять микропроцессоры.

На рис. 6 приведена структурная схема полупроводникового расцепителя. В качестве датчика тока применены нестандартные встроенные трансформаторы тока. Они одновременно используются также и для электропитания устройства. Такое техническое решение использовано практически во всех аппаратах переменного тока. Объединение сигналов от каждой фазы в виде напряжения на резисторах R1, R2 и R3 выполняется при помощи выпрямителя. Сигнал напряжения, пропорциональный току, с резистора R1 поступает на суммирующий блок .Если под воздействием перегрузки сработает полупроводниковое реле К1, в суммирующий блок пройдет сигнал, снимаемый с цепочки временной задержки R4C1. Когда результирующий сигнал в суммирующем блоке достигнет порогового значения, суммирующий блок выдаст сигнал на отключающий орган ОК выключателя. Таким образом формируется защитная характеристика со временем срабатывания, обратно зависимым от тока в зоне токов перегрузки. Для создания независимой от тока характеристики срабатывания в зоне токов короткого замыкания используется сигнал, снимаемый с резистора R3.

Важно отметить, что с помощью полупроводниковых расцепителей удалось существенно повысить чувствительность защиты к коротким замыканиям с малыми токами замыкания, соизмеримыми с токами рабочих и пусковых режимов, в частности, к однофазным замыканиям в четырехпроводных сетях с глухозаземленной нейтралью, к коротким замыканиям с токами, ограниченными дутой, к витковым замыканиям в электродвигателях и трансформаторах и т. д. Для этой пели используются фильтры токов нулевой последовательности, а также характерные параметры электрической дуги, выявленные при помощи различных электронных средств.

Применение микропроцессоров в расцепителях позволяет также наделить выключатели новыми функциями и свойствами. С их помощью защитные характеристики становятся исключительно гибкими. Они позволяют дополнительно к защитным функциям измерять фазные токи и напряжения, электрические мощность и энергию и отображать текущие значения и действующие уставки на лицевой панели аппарата. При помощи установки специальных датчиков можно также контролировать технический ресурс и тепловое состояние аппарата. В сочетании с самодиагностикой микропроцессорного расцепителя указанные новые функции и свойства существенно улучшают потребительские качества выключателей.

В полупроводниковых расцепителях для аппаратов постоянного тока в качестве датчиков тока используются магнитные усилители, расположенные на участке токоведущей шины, а питание схемы выполняется от напряжения главной цепи аппарата.

Расцепители дифференциального тока реагируют на токи утечки и в зависимости от чувствительности расцепителей используются или для повышения пожаробезопасности оборудования (при токах срабатывания 100-300 мА) или (при токах срабатывания 10-30 мА) для создания устройств защитного отключения — устройств зашиты от поражения человека электрическим током — на базе малоамперных (до 63 А) выключателей. Они также выполняются либо на электромеханическом принципе (например, Астро УЗО) или с применением электроники (УЗО 2000, УЗО 20 и ряд других).