Автоматичні повітряні вимикачі (автомати)

Загальні відомості

А втоматичні вимикачі (автомати) призначені для автоматичного відключення електричного кола під час перевантажень, КЗ, при надмірному зменшенні напруги живлення, зміні напрямку потужності і т.п., а також для рідких включень та відключень вручну номінальних струмів навантаження.

До автоматів висуваються наступні вимоги.

1. Струмопровід автомата повинен пропускати номінальний струм протягом як завгодно тривалого часу. Режим тривалого включення для автомата є нормальним. Струмопровідна система автомата може піддаватися впливу великих струмів КЗ як при замкнутих контактах, так і при включеннях на існуюче КЗ.

2 . Автомат повинен забезпечувати багаторазове відключення граничних струмів КЗ, що можуть досягати десятків кілоампер. Після відключення цих струмів автомат повинний бути придатним для тривалого пропускання номінального струму.

3. Для забезпечення електродинамічної і термічної стійкості енергоустановок, зменшення руйнувань і інших наслідків, викликаних струмами КЗ, автомати повинні мати малий час відключення. З метою зменшення габаритних розмірів розподільного пристрою і підвищення безпеки обслуговування необхідна мінімальна зона вихлопу нагрітих і іонізованих газів у процесі гасіння дуги.

4. Елементи захисту автомата повинні забезпечувати необхідні струм і час спрацювання та селективність.

Автомати поділяються на автомати максимального струму, автомати мінімального струму, автомати мінімальної напруги, автомати зворотного струму, автомати, що працюють по похідній струму, поляризовані автомати (відключають коло при наростанні струму в одному — прямому напрямку) і неполя­ризовані, реагуючі на зростання струму в кожному напрямку. Для побудови селективно діючого захисту автомати повинні мати регулювання струму і часу спрацьовування.

У деяких випадках потрібно комбінований захист — максимальний за струмом і мінімальний за напругою. Автомати, що задовольняють цим вимогам, називаються універсальними. Автомати загальнопромислового і побутового застосування звичайно мають лише максимально-струмовий захист, відрегульований на заводі. Під час експлу­атації характеристики автомата не можуть бути змінені. Для зменшення можливості кон­так­ту персоналу з деталями, що знаходяться під напругою, ці автомати закриті пластмасо­вим кожухом і практично не викидають дугу. Такі автомати називаються установочними.

Для захисту автоматів від значних струмів короткого замикання і недопущення руйнування автоматичного вимикача доцільно використовувати додаткові захисні пристрої, наприклад запобіжники. Принцип дії такого захисту ілюструє рис. 11.1.

Рис. 11.1. Часострумові характеристики автомата (1), запобіжника (2). І1 – границя селективності.

Основними параметрами автоматів є: власний і повний час відключення t0+t1+t2 (t0 – час досягнення уставки спрацювання); номінальний тривалий струм; номінальна напруга; граничний струм відключення. Під власним часом відключення t1 автомата розуміють час від моменту, коли струм досягає значення струму спрацьовування Іср. до початку розходження його контактів. Після розходження контактів електрична дуга, що виникає, повинна бути погашена за найменший час t2 з перенапругою, що не представляє небезпеки для іншого устаткування. Власний час відключення автомата залежить від способу розчеплення і конструкції контактів, маси рухливих частин та інших факторів. Якщо t10,01 с, то автомат називається звичайним (нешвидкодіючим).

У цьому випадку до моменту розмикання контактів кола струм досягає сталого значення І_к,уст. Такий автомат не забезпечує струмообмеження і його контактами відключається сталий струм к.з. У швидкодіючих автоматах час t₁ скорочується до 0,002—0,008 с і до моменту розходження контактів струм не досягає сталого значення. Такий автомат, як правило, відключає струм, значно менший сталого струму к.з. Завдяки цьому полегшується робота самого автомата, зменшується термічне і динамічне навантаження апаратури й устат­кування. Зі збільшенням швидкості зростання струму ефект струмообмеження зменшу­ється, тому що до моменту розходження контактів струм досягає великих значень. Для одержання струмообмеження в цих автоматах застосовуються пристрої, що реагують не на струм, а на швидкість його наростання.

Критерії вибору автоматичного вимикача:

• Стандарт, що використовується:

IEC 60898 – EN 60898

IEC 60947.2 - EN 60947.2

UL1077 - UL 489 – UL 489A

• Кількість полюсів

• Номінальна напруга (Ue)

• Номінальний струм (In)

• Частота

• Відключаюча здатність (Icu / Ics)

• Тип обладнання, яке захищається (крива відключення)

• Додаткові функції

Вибір номіналу. При виборі автоматичного вимикача необхідно враховувати вплив навколишнього середовища на роботу апарату. Цей вплив враховується наступним чином:

,

де k₁, k₂, k₃ – коефіцієнти, які враховують вплив температури навколишнього середовища, теплову дію встановлених поряд автоматичних вимикачів при роботі з номінальним навантаженням та значення частоти мережі живлення.

Т, 0С	30	40	50	60		Кількість приладів	1	2…3	4…6	≥7
k1	1.0	0.88	0.75	0.64		k2	1.0	0.95	0.90	0.85

f, Гц	- 60	100	200	400
k3	1.0	1.1	1.2	1.5

Такі критерії вибору автоматичного вимикача як стандарт та тип обладнання накладають певні вимоги на часострумову характеристику апарата.

Захисні характеристики (рис. 11.2) та їх застосування.

Рис. 11.2. Типові захисні характеристики для різних типів обладнання

Крива B. Відключення: 3..5In (IEC 60898); захист генераторів, людей, кабелів великої довжини; без піків струму.

Крива C. Відключення: 5..10 In (IEC 60898); захист електричних кіл (освітлення, розеткові групи); загальне застосування.

Крива D. Відключення: 10..20 In (IEC 60947.2); захист кіл з великими кидками струму, трансформаторів і двигунів

Рис. 11.3. Захисна характеристика

Крива відключення (рис. 11.3) зале­жить і від застосованого стандарту Приклад: МЕК 898 Ind=1,13In  1 год Id =1,45 In  1 год МЕК 947-2 Ind= 1,05In  1 год (до 63 A) Id= 1,30 In  1 год BS 3871 Ind= In  2 год Id=1,50In 1 год (< 10 A) Id=1,35 In  1 год (> 10 A)

Основні вузли автоматичних вимикачів

У будь-якому автоматі (рис. 11.4) є наступні основні вузли: струмопровід, дугогасильна система, привод автомата, механізм автомата, механізм вільного розчеплення й елементи захисту — розчіплювачі.

Рис. 11.4. Конструкція автоматичного вимикача:

1. Корпус, який виготовлено з самогаснучого термопластичного матеріалу.

2. Вихідна клема. 

3. Дугогасна гратка.

4. Електромагнітний розчіплював (максимально струмовий захист).

5. Перемикач.

6. Нерухомий контакт.

7. Рухомий контакт.

8. Контролер дуги для захисту біметалевої пластини від дії струмів короткого замикання.

9. Біметалева пластина (захист від перевантажень).

10. Вивідна клема.

11. DIN- роз’єм.  

Включення автомата може проводитися рукояткою вручну чи електромагнітом. Відключення автомата може здійснюватися рукояткою чи за допомогою розчіплювачів: теплового; електромагнітного, мінімального, дистанційного.

Струмопровід. Найбільш важливою частиною струмопровода автоматів є контакти. При номінальних струмах до 200 А застосовується одна пара контактів, які для збільшення дугостійкості можуть бути облицьовані металокерамікою. При струмах більш 200 А застосовуються двоступінчасті контакти типу: контакту, що перекочується чи пари головних і дугогасних контактів, покритих металокерамікою. У швидкодіючих автоматах з метою зменшення власного часу відключення застосовуються тільки торцеві контакти, що мають малий провал. Контакти виготовляються з міді, а поверхні торкання піддаються срібленню. Для уникнення приварювання контактів в апаратах на великі струми застосовується електродинамічна компенсація. У установочних і швидкодіючих автоматах, у яких при короткому замикані відключення відбувається без витримки часу, електродинамічна компенсація не застосовується, оскільки веде до збільшення власного часу відключення.

При амплітуді струму, що включається, більш 30-40 кА застосовуються автомати моментної дії, у яких швидкість руху контактів і контактне натискання не залежать від швидкості переміщення механізму ввімкнення.

Дугогасна система. В автоматах застосовуються дугогасні пристрої напівзакритого і відкритого виконання. У напівзакритому виконанні автомат закритий ізоляційним кожухом, що має отвори для виходу гарячих газів. О6'єм кожуха досить великий для унеможливлення виникнення всередині великих надлишкових тисків. Зона викиду гарячих та іонізованих газів складає кілька сантиметрів від вихлопних щілин. Таке виконання застосовується в установочних і універсальних автоматах, що монтуються поруч з іншими апаратами, у розподільних пристроях, автоматах з ручним керуванням. Граничний струм, що відключається, не перевищує 50 кА.

У установочних і універсальних автоматах масового застосування широко використовується деіонна дугогасна ґратка зі сталевих пластин. Оскільки ці автомати призначені як для змінного, так і для постійного струму, число пластин вибирається з умови відключення кола постійного струму. На кожну пару пластин повинна припадати напруга не більш 25 В. У колах змінного струму з напругою 660 В такі дугогасні пристрої забезпечують гасіння дуги зі струмом до 50 кА. На постійному струмі ці пристрої працюють при напругах до 440 В і струмах, що відключаються, до 55 кА. При цьому дуга горить з мінімальним викидом іонізованих і нагрітих газів з дугогасного пристрою.

При великих струмах застосовуються лабіринтно-щілинні камери і камери з прямою поздовжньою щілиною. Втягування дуги в щілину здійснюється за допомогою системи магнітного дуття. Повздовжньо-щілинна камера може мати кілька паралельних щілин незмінного перетину. Вузька щілина підвищує градієнт напруги на дузі, що скорочує необхідну довжину при її гасінні. Зиґзаґоподібна форма щілини зменшує габаритні розміри автомата. У такій камері дуга інтенсивно охолоджується стінками. Тому матеріал камери повинний мати високу теплопровідність і температуру плавлення. Для того щоб камера не руйнувалася під впливом температури, дуга повинна рухатися безупинно з великою швидкістю. Це вимагає створення сильного магнітного поля на всьому шляху руху дуги в щілині.

Рис. 11.5. Гасіння дуги за допомогою дугогасної гратки

В даний час з метою спрощення конструкції знову повертаються до використання деіонної сталевої ґратки. Сталеві, ізольовані керамікою пластини, що мають паз для дуго­гасних контактів, створюють зусилля, що переміщає дугу, як показано вище (рис. 11.5). Гасіння дуги відбувається так само, як у камері з поперечними ізоляційними перегородками, але за відсутності спеціальної системи магнітного дуття.

Приводи. Привод апарата повинен забезпечити зусилля на контактах, необхідне для включення автомата в найважчому випадку — на існуюче КЗ.

Приводи можуть бути ручні й електромеханічні. Ручні приводи застосовуються при номінальних струмах до 200 А. При струмах до 1 кА застосовуються електромагнітні приводи, що забезпечують необхідну швидкість наростання натиску в контактах. Недоліками електромагнітного привода є великі швидкості руху й удари в механізмі, що можуть приводити до вібрації контактів.

Звичайно електромагнітний привод автомата живиться від тієї ж мережі, що і навантаження. Напруга живлення приводу в момент включення на існуюче КЗ падає до нуля, і автомат може не включитися. У приводі незалежної дії енергія, необхідна для включення, накопичується в заведеній пружині. Після подачі команди на включення звільняється утримуюча засувка пружини й автомат включається при будь-яких напругах мережі. При ручному включенні привод незалежної дії можна одержати, якщо використовувати принцип стрибаючого контакту.

Розчіплювачі автоматів. Відключення автоматів відбувається шляхом дії на механізм вільного розчеплення елементів захисту — розчіплювачів (рис. 11.6). Найбільшого поширення набули максимальні розчіплювачі.

Рис. 11. 6. Відключення автомата при спрацюванні захисту.

Рис. 11.7. Блок термомагнітного розчіплювача.

В універсальних автоматах, що працюють селективно, створюється визначена витримка часу при протіканні струму короткого замикання, і розмикання контактів протягом цього часу недопустиме. Для створення витримок часу між електромагнітом і механізмом вільного розчеплення ставляться пристрої затримки. Найпростіше залежна від струму витримка часу виходить за допомогою теплових розчіплювачів, аналогічних за конструкцією тепловим реле. Таким чином у максимальних розчіплювачах широко використовуються електромагнітні і теплові системи з біметалевою пластиною (рис. 11.7). Конструктивні виконання таких систем показані на рис. 11.8.

Рис. 11.8. Контруктивні виконання термомагнітних розчіплювачів.

Електромагнітний розчіплювач простий за конструкцією, має високу термічну й електродинамічну стійкість і стійкість до механічних впливів. До моменту впливу на механізм вільного розчіплення якір розчіплювача зазвичай має значний вільний хід (5—10 мм). Розчіплювання відбувається за рахунок удару, у якому основну роль відіграє кінетична енергія якоря, накопичена при його русі. Обмотка електромагніта розчіплювача включена послідовно з навантаженням. Принцип роботи розчіплювала максимального струму проілюстровано на рис 11. 9 і полягає у наступному:

• струм, що протікає через обмотку соленоїда, створює магнітне поле внаслідок дії якого елементи "1" та "2" притягуються;

• пружина відкалібрована так, щоб утримувати частини "1" та "2" окремо, за винятком випадку виникнення короткого замикання.

Рис. 11.9. Розчіплювач максимального струму.

У випадку струму к.з. до 10 In, плунжер незначно зсувається і приводить у дію механізм розмикання кон­тактів. При сильному струмі к.з. плунжер здійснює знач­не пере­міщення і діє на розчіплювач. Для захисту устаткування від перевантажень не обхід­но, щоб сформована розчі­плю­вачем часострумова ха­рак­теристика йшла якомога ближче до характеристики

об'єкта, що захищається. Регулювання струму спрацювання може відбуватися за рахунок натягу протидіючої пружини розчіплювача чи зміни числа витків обмотки. За допомогою зміни відповідних уставок (рис. 11.10) добиваються хорошого узгодження часострумової характеристики автоматичного вимикача з характеристикою об'єкта, що захищається.

Рис. 11.10. Блок регулювання струму спрацювання термомагнітного розчіплювала.

До недоліків термомагнітних розчіплювачів можна віднести:

1. Слабка термічна стійкість вимагає високої швидкодії при відключенні великих струмів, а це в свою чергу утруднює одержання необхідної селективності захисту.

2. З ростом струму, що відключається, росте зусилля, необхідне для розмикання автомата. Тому тепловий розчіплювач застосовується при струмах до 200 А.

3. Витримка часу теплових розчіплювачей залежить від температури навколишнього середовища, що обмежує їхнє застосування.

4. Доволі суттєвим є розкид у струмі спрацювання в теплових розчіплювачів.

Напівпровідниковий розчіплювач

Напівпровідниковий розчіплював (рис. 11.11) здійснює захист від струмів короткого замикання та струмів перевантаження. Захист за допомогою напівпровідникового розчіплювача є більш надійним. На відміну від електромагнітного та теплового розчіплювачів напівпровідниковий розчіплювач допускає можливість як грубого так і точного регулювання уставок спрацювання (рис. 11.12) так і ступінчатий вибір відповідних параметрів для формування відповідної захисної характеристики (рис.11.13):

• номінального струму розчіплювача;

• уставки за струмом спрацювання в зоні струмів короткого замикання;

• уставки за часом спрацювання в зоні струмів перевантаження;

• уставки за часом спрацювання в зоні струмів короткого замикання;

• уставки за струмом спрацювання при однофазному короткому замиканні.

Рис. 11.11. Блок електронного розчіплювача.

Рис. 11.12. Грубе і точне регулювання уставок спрацювання.

Рис. 11.13. Приклад формування захисної характеристики

Захист від переванта­жень з регульованою уставкою Io- грубе регулювання (функція від Ін) (1); Ir - точне регулювання (1); tr - уставка витримки часу, фіксована або регульована залежно від розчіплювача (2);

Захист від корот­кого замикання Im- регульована устав­ка захисту від короткого зами­кання (3); tm- уставка витримки часу, фіксована або регульована (4);

Миттєвий захист I – миттєве спрацю­вання уставки, фіксо­ва­ної або регульо­ваної залежно від розчіплювача (5); Ic – регульована устав­ка скиду навантажен­ня, або повторного навантаження (6);

Захист від за­ми­­кання на землю Ih – уставка за­хисту від зами­кання на землю (7); th – уставка ви­тримки часу (8);

Для розчіплювача в зоні струмів перевантаження сигнал на спрацювання видається з обернено залежною від струму витримкою часу (чим більше струм, тим менша витримка часу на відключення). У зоні струмів короткого замикання, при значеннях струму менших допустимого струму з умови селективного відключення, сигнал на спрацювання подається з витримкою часу. При значеннях струму більших за допустимий з умови селективного спрацювання сигнал на відключення подається миттєво. Якщо витримку часу не встановлено, то сигнал відключення подається також миттєво.

Автомати на основі таких розчіплювачів отримують сигнал від вимірювального пристрою і формують відповідну захисну характеристику. Сигнал подається на незалежний розчіплювач через проміжне реле. Так в автоматі А-3700 при перевантаженнях напівпровідниковий блок захисту подає сигнал на незалежний електромагнітний розчіплювач. Якір цього розчіплювача діє на механізм вільного розчеплення.

Принцип дії напівпровідникового блоку (рис. 11.14) є наступним. Сигнали з давачів струму (вбудовані трансформатори струму, які одночасно є і джерелами живлення пристрою) поступають на випрямляч, до виходу якого під’єднані потенціометри R1, R2, R3. Сигнал напруги з потенціометра R1, який є пропорційним струму автомата подається на сумуючий блок. Якщо під дією перевантаження спрацює напівпровідникове реле К1 на суматор поступить сигнал з потенціометра R2 з витримкою часу, яка визначається параметрами R4C1. Після досягнення сигналом на виході сумматора U_Σ порогового значення суматор подасть сигнал на пристрій відключення ОК (електромагнітний розчіплювач). Таким чином формується захисна характеристика з часом спрацювання обернено пропорційним струмові апарату.

Рис. 11.14. Структурна схема напівпровідникового розчіплювача

Для формування захисної характеристики в зоні струмів короткого замикання використовується сигнал з потенціометра R3. Такий напівпровідниковий блок захисту дозволяє регулювати номінальний струм пристрою і витримку часу спрацювання в широких межах.

При перевантаженнях повернення напівпровідникового блоку в початковий стан забезпечується, якщо після 75%-ої витримки часу струм упаде до І_ном. При к.з. повернення напівпровідникового блоку забезпечується, якщо після 50, 170, 320 мс з початку к.з. струм упаде до 70 %-ної уставки струму к.з.

В автоматах змінного струму даної серії такий напівпровідниковий блок захисту живиться від трансформатора струму, а в автоматах постійного струму замість трансформатора як давач струму використовується дросельний магнітний підсилювач. Живлення блоку давача струму здійснюється від спеціального стабілізованого джерела. Напівпровідниковий блок захисту працездатний при коливанні напруги мережі в межах 85—110 % номінального значення.

Важливо відзначити, що використання напівпровідникових блоків дало змогу істотно покращити чутливість захисту до дії струмів короткого замикання, які є співмірними зі струмами робочих та пускових режимів, зокрема до виткових к.з. в електричних двигунах та трансформаторах.

Застосування мікропроцесорів в таких системах дає змогу формувати більш гнучкі захисні характеристики автоматичного вимикача.

Допоміжні розчіплювачі

Для дистанційного відключення автомата встановлюється незалежний електромаг­нітний розчіплювач, електромагніт якого може бути як постійного, так і змінного струму. Обмотка електромагніта розраховується на короткочасний режим роботи. Номінальна напруга розчіплювача береться не вище 220 В. Якщо джерело живлення має більш високу напругу, то ставиться додатковий резистор.

Рис. 11.15. Допоміжний елек­тромаг­нітний розчі­плювач.	Розчіплювач мінімальної напруги виконується електро­магнітного типу (рис. 11.15). Для розриву кола, котушка у відклю­ченому положенні живиться через замикаючий допоміжний контакт. Цей контакт при включенні замикається раніше головних контактів. Завдяки цьому механізм підготовляється до роботи в процесі самого включення. Напруга відпускання електромаг­ніта (рис. 11.16) регулюється в межах 35—70 % номінальної. При напрузі, меншій напруги уставки, пружина відриває якір і впливає на механізм вільного розчеплення. Увімкнення вимикача можливе при досягненні напруги 85% від номіналу. Для створення витримки часу, що забезпечить уникнення хибних спрацювань, викликаних короткочасними зниженнями напруги (до 200 мс), можливе додаткове підключення реле часу. Конструкція може включати в себе електронну порогову схему для контролю максимального і мінімального рівня напруги електричного кола. До виходу такої схеми підключають соленоїд, який, діючи через важіль на механізм скидання незалежного розчеплення автоматичного вимикача, відключає його.
Рис. 11.16. Електромагніти допоміжних розчіплювачів (мінімальної напруги та незалежного розчіплювача)		Мінімальний розчіплювач може використовуватися і для дистанційного відключення, якщо послідовно з ним включити кнопку з розмикаючим контак­том. Якщо ж мінімальний розчіплювач впливає на механізм вільного розчеплення через годинниковий механізм з витримкою часу, то дистанційне відключення повинне вироблятися незалежним розчіплювачем.

Рис. 11.17. Черговість під’єднання додаткових модулів автомата

Поряд з використанням додаткових розчіплювачів модульний принцип виконання сучасних автоматичних вимикачів забезпечує і використання додаткових та сигнальних контактів. Черговість під’єднання окремих модулів показана на рис. 11.17.