В любом автоматическом выключателе есть важная составная часть устройства: расцепитель, который служит для размыкания или замыкания коммутационного устройства. По сути расцепитель размыкает контакты автомата при появлении сверхтоков, снижении напряжения. ГОСТ Р 50030.1 (5) определяет понятие расцепителя, как «Устройство, механически связанное с контактным коммутационным аппаратом, которое освобождает удерживающие приспособления и тем самым допускает размыкание или замыкание коммутационного аппарата». Стандарт МЭК 61992‑1 (6) дополняет данное определение расцепителя автоматического выключателя - расцепитель может состоять из механических, электронных или электромагнитных компонентов; относится к любому устройству с механическим действием, которые применяется для расцепляющего оперирования в случае, когда во входной цепи встречаются определенные условия; в автомате может быть несколько расцепителей.
Виды расцепителей
В бытовых автоматических выключателях чаще всего встречаются следующие виды расцепителей: тепловой, электронный и электромагнитный. Они быстро распознают критическую ситуацию (появление сверхтоков, перегрузки и перепады напряжения) и размыкают контакты автоматического выключателя, предотвращая порчу электрического оборудования и защищая проводку. Помимо этих видов, существуют еще и расцепители нулевого напряжения, минимального напряжения, независимые, полупроводниковые, механические.
Сверхтоки - увеличение силы тока в электрической сети, превышающей номинальный ток автомата. Это токи перегрузки, замыкания.
Ток перегрузки - сверхток в функциональной сети.
Ток короткого замыкания - сверхток, появляющийся в результате замыкания двух составляющих сети при крайне низком сопротивлении между этими элементами.
Тепловой расцепитель
Тепловой расцепитель размыкает контакты автоматического выключателя при небольших превышениях номинального тока, отличается увеличенным временем срабатывания. При кратковременных превышениях токовой нагрузки он не срабатывает, это удобно в сетях, где часты именно кратковременные превышения номинального тока автомата.
Тепловой расцепитель является биметаллической пластиной, один конец которой расположен рядом со спусковым механизмом расцепления. В случае увеличения силы тока пластина начинает изгибаться и приближаться к спусковому механизму, касается планки, а та, в свою очередь, размыкает контакты автоматического выключатели. Принцип работы построен на физических свойствах металла, расширяющегося при нагревании, поэтому такой расцепитель и называется тепловым.
К достоинствам теплового расцепителя можно отнести отсутствие трущихся друг о друга поверхностей, устойчивость к вибрациям, низкая стоимость в силу простой конструкции. Но нужно обратить внимание и на недостатки - работа теплового расцепителя сильно зависит от температуры окружающей среды, их следует размещать в местах со стабильным температурным режимом вдали от источников тепла, в противном случае возможны многочисленные ложные срабатывания.
Электронный расцепитель
В состав электронного расцепителя входят измерительные устройства (датчики тока), блок управления и исполнительный электромагнит. Электронные расцепители предназначены для подачи команды на автоматическое отключения автомата с заданной программой при возникновении в электрической цепи сверхтоков перегрузки или замыкания. При превышении силы тока через автомат в блоке электронного расцепителя начинается отсчет времени срабатывания в соответствии с время-токовой характеристикой. Если за время срабатывания ток снизится до величины, ниже пороговой, то автоматического срабатывания не произойдет.
К плюсам электронных расцепителей относятся: широкий выбор настроек, четкое следование прибора заданной программе, наличие индикаторов. Основной недостаток - довольно высокая стоимость, а также чувствительность расцепителя к воздействию электромагнитного излучения.
Электромагнитный расцепитель
Электромагнитный расцепитель (отсечка) срабатывает мгновенно, не допуская ни малейшей вероятности повреждения составных частей электроцепи. Это соленоид с подвижным сердечником, который воздействует на механизм расцепления. В процессе протекания тока по обмотке соленоида, в случае превышения токовой нагрузки, происходит втягивание сердечника под воздействием электромагнитного поля.
Электромагнитный расцепитель срабатывает при превышении тока короткого замыкания. Он обладает достаточной прочностью, устойчив к вибрации, однако создает магнитное поле.
Ток расцепителя автоматического выключателя
Ток расцепителя автоматического выключателя имеет конкретное значение (номинал), означающий величину тока, при котором автомат разомкнет цепь. Ток в тепловом расцепителе всегда равен или меньше номинального тока автоматического выключателя. При любом превышении токовой нагрузки на расцепитель будет происходить отключения автомата. При этом время, через которое произойдет размыкание контактов, зависит от времени протекания тока превышенной нагрузки. Время отключения теплового расцепителя можно рассчитать, используя время-токовые характеристики.
Ток электромагнитного расцепителя отключает автомат мгновенно при превышении номинального тока автоматического выключателя, чаще всего это происходит при коротком замыкании. Перед КЗ в сети очень быстро нарастает величина тока, которую учитывает устройство электромагнитного расцепителя, в результате происходит очень быстрое воздействие на механизм расцепления. Скорость срабатывания в этом случае составляет доли секунды.
Для того чтобы вся техника в доме или на производстве была защищена от перепадов напряжения электрического тока нужно установить специальные автоматические выключатели. Они смогут зафиксировать скачок и быстро на него среагировать, отключив всю систему от подачи электричества. Человек самостоятельно сделать этого не сможет, а вот автомат определенного типа справить за несколько секунд.
Типы автоматов
Чувствительность аппарата
Перед тем как ознакомится с видами автоматов нужно узнать с какой чувствительностью приборы подойдут для домашнего использования, а какие будут неуместны. Такой показатель будет указывать на то, насколько быстро будет реагировать прибор на скачок напряжения. Он имеет несколько маркировок:
Классификация автоматов
Выделяют различные виды автоматов по отношению к типу тока, номинальному напряжению или показателю тока и другим техническим характеристикам. Поэтому нужно конкретно разбираться по каждому пункту отдельно.
Тип тока
По отношению к этой характеристике автоматы разделяют на:
- Для работы в сети переменного тока;
- Для работы в сети постоянного тока;
- Универсальные модели.
Тут все ясно и дополнительных пояснений не нужно.
По показателю номинального тока
От значения данной характеристики будет зависеть в сети с каким максимальным значением может работать автоматический выключатель. Есть приборы, которые способны работать от 1 А до 100 А и больше. Минимальное значение, с которым можно найти в продаже автоматы составляет 0,5 А.
Показатель номинального напряжения
Данная характеристика указывает с каким напряжением может работать данный вид автоматических выключателей. Одни могут работать в сети с напряжением 220 или 380 Вольт — это самые распространенные варианты для бытового применения. Но есть автоматы, которые будут прекрасно справляться и с более высокими показателями.
По способности ограничить приток электричества
По данной характеристике выделяют:
Другие характеристики
Количество полюсов может быть от одного до четырех. Соответственно их называют однополюсные, двухполюсные и так далее.
Автоматы по количеству полюсов
По строению различают:
По скорости сбрасывания производят быстродействующие, нормальные и селективные приборы. В них может быть установлена функция выдержки времени, которая может обратно зависеть от тока или не зависеть от него. Выдержку времени могут и не устанавливать.
Есть у автоматов и привод, который может быть ручной, подключаться к двигателю или пружине. Рознятся выключатели и наличию свободных контактов, и способу подключения проводников.
Важной характеристикой будет защита от воздействия окружающей среды. Тут можно выделить:
- IP-защиту;
- От механического воздействия;
- Ток проводимость материала.
Все характеристики могут сочетаться в различных комбинациях. Все зависит от модели и производителя.
Типы выключателей
Автомат внутри содержит расцепитель, который с помощью рычага, защелки, пружины или коромысла способен мгновенно отключить сеть от подачи электричества. Типы автоматических выключателей и различают по типу расцепителя. Бывают:
Автоматические выключатели гораздо выгоднее плавких предохранителей. Это потому что после остывания автомат уже можно включать, и он будет работать как надо, если причина перегрузки устранена. Плавки предохранитель нужно заменить. Его может не оказаться под рукой и замена может занять много времени.
Выключатели автоматические предназначены для проведения тока в нормальных режимах и автоматического отключения защищаемой цепи при коротких замыканиях (КЗ) и перегрузках, а также для оперативных нечастых отключений.
В отличие от высоковольтных выключателей, конструкция которых содержит контактные, дугогасительные и приводные системы и не содержит устройства измерений и контроля защищаемых цепей (эти устройства выполняются на низком напряжении в виде отдельных аппаратов), автоматические выключатели низкого напряжения, как правило, содержат как узлы конструкции и устройства измерений и контроля заданных параметров защищаемой цепи.
Конструкции, характеристики и защитные функции автоматических выключателей весьма разнообразны. Однако по назначению и принципам конструирования они могут быть разделены на выключатели общего назначения, быстродействующие и специальные.
Выключатели автоматические общего назначения. Эти выключатели по роду тока главной цепи выполняются переменного, постоянного, переменного и постоянного тока.
По собственному времени отключения выключатели могут быть токоограничивающими и нетокоограничивающими.
Общая продолжительность короткого замыкания tк.з., (рис. 4-1, а и б) складывается из трех слагаемых:
to - времени от начала короткого замыкания до момента, когда ток достигает значения Iуст, при котором в стационарном режиме срабатывает выключающее устройство;
tоткл ~ собственного времени отключения - времени от момента достижения током значения уставки до момента начала расхождения контактов;
tr - длительности процесса дугогашения.
Время tо зависит в основном от постоянных цепи. Время tоткл определяет быстродействие- выключателя.
Токоограничивающий выключатель - выключатель, у которого собственное время отключения таково, что в данной цепи за это время ток не успевает достигнуть установившегося значения Iк.з. и отключаемый ток Iоткл меньше того, который был бы в цепи в случае отсутствия выключателя или при нетокоограничивающем выключателе (рис. 4-1, а). На рис. 4-1, в как пример приведены токоограничивающие характеристики некоторых выключателей серии А-3700. Здесь Iк.з. - возможный ток короткого замыкания; Iоткл - отключаемый выключателем ток (ограниченный); прямая 1 - ток, который отключал бы нетокоограничивающий выключатель.
Рис. 4-1. Процесс отключения при коротком замыкании: а – нетокоограничивающим выключателем; б и в – токоограничивающим выключателем.
Нетокоограничивающие выключатели могут быть с выдержкой времени в зоне токов короткого замыкания или без нее. Первые предназначены для осуществления селективной защиты, суть которой заключается в том, что при токе Iк.з. (рис. 4-2), превосходящем ток уставки Iycт выключателей всех ступеней, отключается ближайший к месту аварии участок, у которого выключатель имеет меньшую выдержку времени t1 (t1
Выключатели автоматические быстродействующие (до настоящего времени это выключатели постоянного тока). Выключатели предназначены для защиты полупроводниковых преобразователей, электрических машин и линий постоянного тока при коротких замыканиях, перегрузках и обратных токах в промышленных установках (например, в электроприводах прокатных станов) и в установках магистрального, промышленного и городскрго электрифицированного транспорта.
Рис. 4-2. Схема силективной защиты.
В указанных современных установках, в частности в установках с полупроводниковыми преобразователями, токи КЗ достигают 200-300 кА. Полупроводниковые устройства в отличие от электрических машин не допускают перегрузок. В силу их природы интеграл Джоуля у них много ниже, чем у электрических машин и других электромеханических устройств. Все это требует ускоренного отключения аварийного участка и ограничения тока в цепи.
Следует учесть еще одно весьма важное обстоятельство - наличие громадных электродинамических сил, возникающих при указанных токах. Например, в цепи, в которой ток КЗ может достигнуть установившегося значения 300 кА, при начальной скорости (крутизне) нарастания 4,5 106 А/с выключателю с временем отключения toткл = 0,08 с приходится отключать ток 280 кА, при tоткл = 0,04 с - ток 160 кА, а быстродействующему выключателю с tоткл = 0,005 с - ток около 22 кА. Электродинамические силы здесь ограничиваются в 50-150 раз.
По защитным характеристикам нашими стандартами (ГОСТ 2585-81 Е) собственное время размыкания быстродействующего выключателя в зависимости от тока отключения и крутизны его нарастания регламентировано: 1-й класс-до 0,008 с, 2-й класс - до 0,005 с, 3-й класс - до 0,002 с.
На переменном токе номинальные токи в установках ограничиваются за счет перехода на более высокое напряжение - на 220, 380 и 660 Вив настоящее время на 1140 В. Рост мощностей установок ставит задачу создания быстродействующих выключателей и на переменном токе.
Привод. Привод служит для включения выключателя по чьей-либо команде (оператора, системы автоматического управления и др.). Выполняются выключатели с ручным или двигательным приводом либо с тем и другим. Под двигательным понимают привод, в котором сила создается любым видом энергии, кроме мускульной энергии оператора, например электромагнитом, электродвигателем, пневматикой, гидравликой и т. п. Отключение выключателя осуществляется пружинами после разъединения расцепляющего устройства.
Рис. 4-3. Пример исполнения расцепляющего устройства автоматического выключателя
Расцепляющее устройство. Это устройство предназначено:
для исключения возможности удерживать контакты выключателя во включенном положении (рукояткой, дистанционным приводом) при наличии ненормального режима работы в защищаемой цепи;
для обеспечения моментного отключения, т. е. не зависящей от оператора, рода и массы привода скорости расхождения контактов.
Расцепляющее устройство представляет собой систему шарнирно-связанных рычагов, соединяющих привод включения с системой подвижных контактов, которые соединены с отключающей пружиной. Принцип работы устройства может быть пояснен схемой на рис. 4-3.
Схема на рис. 4-3, а соответствует положению «Отключено вручную» и «Выключатель взведен». «Взведен» означает, что контакты 7 и 8 разомкнуты, а фигурный рычаг 9 поставлен под зацепление 4 отключающего валика 5; это осуществляется поворотом рукоятки 1 вправо. При повороте рукоятки влево отключающая пружина 2 переведет «ломающиеся» рычаги 3 и б через мертвое положение до упора шарнира О в рычаг 9 и замкнет контакты. Положение «включено» показано на рис. 4-3,6.
В случае возникновения ненормальных условий работы в защищаемой цепи соответствующий расцепитель повернет отключающий валик и выведет его из зацепления с фигурным рычагом. Под действием отключающей пружины фигурный рычаг повернется и другим своим концом переведет «ломающиеся» рычаги вправо через мертвое положение. Отключающая пружина «изломит» рычаги и разомкнет контакты. Выключатель окажется в положении «Отключено автоматически» (рис. 4-3, в). Для повторного включения необходимо отвести рукоятку вправо и ввести в зацепление фигурный рычаг с отключающим валиком.
Конструкции расцепляющих устройств весьма разнообразны, однако действие их подобно описанному. В дальнейшем расцепляющее устройство будем изображать схематично в виде двух сцепленных рычагов.
Рис. 4-4. Времятоковая характеристика выключателя серии ВА51
Следует отметить одно весьма важное обстоятельство. Отключающие и контактные пружины в автоматических выключателях развивают силы в десятки и сотни ньютонов. Система рычагов расцепляющего устройства строится так, что для расцепления требуются незначительные усилия. Это позволяет иметь легкие и высокочувствительные расцепители.
Расцепители. Это элементы, которые контролируют заданный параметр защищаемой цепи и, воздействуя на механизм расцепления, отключают выключатель при отклонении значения параметра от установленного. Они представляют собой реле или элементы реле, встроенные в выключатель с использованием его элементов или приспособленные к его конструкции. Расцепители выполняются на базе электромеханических реле. В настоящее время все большее применение находят расцепители на принципах или на базе статических реле и их элементов. При этом контролирующие и сравнивающие органы расцепителя выполняются на полупроводниковых элементах с выходом на независимый электромагнитный элемент (исполнительный орган), воздействующий на механизм расцепления.
Автоматические выключатели, как правило, снабжаются расцепителем максимального тока для защиты в зоне токов перегрузки и токов короткого замыкания или только токов короткого замыкания. Электромеханические расцепители выполняются электромагнитными, электротепловыми или комбинированными. Расцепитель максимального тока на базе статических реле состоит из блока полупроводникового (БПР), измерительных элементов, встраиваемых в каждый полюс выключателя, и выходного электромагнитного элемента. Измерительными элементами служат на переменном токе трансформаторы тока, на постоянном токе - шунты или трансформаторы постоянного тока. Независимо от принципа устройства расцепители могут выполняться без выдержки времени при срабатывании, с независимой от тока выдержкой времени, с обратнозависимой от тока выдержкой времени. Типичная времятоковая характеристика современного выключателя приведена на рис. 4-4. Полупроводниковый расцепитель, более сложный по устройству, позволяет получить более благоприятные времятоковые характеристики. Пример схемы и устройства такого расцепителя рассмотрен ниже, в разделе 4.
Выключатели могут дополнительно снабжаться расцепителями:
независимым - для дистанционного отключения выключателя при подаче на расцепитель соответствующего напряжения;
минимального или нулевого напряжения - для автоматического отключения выключателя при снижении ниже определенного уровня или исчезновении напряжения.
Могут быть и другого вида расцепители.
Схема выключателя с расцепителем максимального тока мгновенного действия показана на рис. 4-5, а. Токоведущую шину 1 полюса выключателя охватывает магнитопровод, состоящий из сердечника 2 и якоря 3. Когда ток станет выше определенного значения, тяговое усилие превысит усилие пружины 5, якорь притянется и повернет отключающий валик 4. Расцепляющее устройство освободится. Выключатель отключится. Регулирование тока срабатывания осуществляется натягом пружины 5.
Рис. 4-5. Примеры схем некоторых электромеханических расципителей.
Расцепитель минимального напряжения (рис. 4-5,б) состоит из электромагнита - сердечника 2, якоря 4 и катушки 3, подключенной на контролируемое напряжение. При нормальных режимах якорь притянут. При снижении контролируемого напряжения ниже определенного значения (уставки) якорь под действием регулировочной (она же и отключающая) пружины 5 отпадет и, воздействуя на расцепляющее устройство через защелку б, отключит выключатель. Магнитная система рас-цепителя выполняется так, что МДС катушки при номинальном напряжении недостаточна для притяжения якоря, но достаточна для его удержания. Якорь притягивается при подготовке выключателя к включению при помощи рычагов 1, связанных с валом выключателя.
Расцепитель напряжения независимый (рис. 4-5, в) представляет собой электромагнит, который притягивает свой якорь при включении катушки на соответствующее напряжение. Своим концом якорь воздействует на расцепляющее устройство и отключает выключатель.
Пример исполнения комбинированного (электротеплового и электромагнитного) расцепителя приведен на рис. 4-6. При перегрузках срабатывает электротепловой расцепитель: биметаллическая пластинка 2 вследствие нагрева изгибается и винтом 3 поворачивает отключающий валик 4. При коротком замыкании срабатывает электромагнитный расцепитель, состоящий из сердечника 7 и якоря 5, охватывающих токопровод 6. Электромагнитный расцепитель воздействует на тот же отключающий валик. Для ограничения тока через биметаллическую пластинку служит шунт 1.
Рис. 4-6. Схема комбинированного (электротеплового и электромагнитного) расцепителя.
Они могут снабжаться следующими встроенными в них расцепителями:
Электромагнитным или электронным расцепителем максимального тока мгновенного или замедленного действия с практически независимой от тока выдержкой времени;
Электротермическим или электронным инерционным расцепителем максимального тока с зависимой от тока выдержкой времени;
Расцепителем тока утечки;
Асцепителем минимального напряжения;
Расцепителем обратного тока или обратной мощности;
Независимый расцепитель (дистанционное отключение выключателя).
Первые два типа устанавливаются во всех трех полюсах, остальные - по одному на выключатель. Токи уставки, а также выдержки времени токовых расцепителей могут быть регулируемыми. В одном выключателе могут применять один или несколько типов токовых расцепителей и дополнительно к ним расцепитель минимального напряжения, независимый расцепитель и электромагнит включения.
По времени срабатывания электромагнитные и аналогичные им электронные расцепители имеют четыре разновидности:
Расцепители, обеспечивающие срабатывание АВ за время намного меньше 0,01с, и отключение тока КЗ раньше, чем он достигнет своего ударного значения. Такие АВ называют токоогораничивающие.
Расцепители, обеспечивающие отключение тока КЗ при первом прохождении тока черехз нулевое значение tc=0,01с.
Нерегулируемые расцепители, время срабатывания которых превышает 0,01с;
Расцепители м регулируемой выдержкой времени (0,1-0,7с), позволяющие добиться замедленной работы относительно других АВ той же сети, называют селективными.
Расцепители тока утечки применяют для быстрого отключения участков сети, в которых из-за нарушения изоляции или прикосновения людей к проводникам возник ток утечки на землю. При этом ток уставки расцепителя выбирают в пределах от 10 до30 мА, а время зависимости от напяжения в пределах от 10 до100мс. Эту защиту в наст время считают более эффективной от защиты людей от поражения электрическим током.
Расцепители минимального напряжения применяют в целях отключения источников питания при прекращении ими питании сети (еред АВР)_, а также в целях отключения электроприемников, самозапуск которых при автоматическом восстановлении напряжения нежелателен. Напряжение сраьатывания расцепителя выбирают в пределах от 0,8 до0,9 Uном, время срабатывания – в соответствии с требованиями систем автоматического восстановления питания сети.
Независимые расцепители примеяют для местного дистанционного и автоматического отключения АВ при срабатывании внешних защитных устройств.
Расцепители обратного тока или обратной мощности применяют для защиты генереаторов, работающих на электрическую систему от выпадения синхронихма.
17. Максимальная токовая направленная защита (принцип действия, принципиальная электрическая схема, расчет выдержек времени).
Направленные токовые защиты линии МТНЗ
T 1 > t → 2 > t 3
I p = I` кз I p = I` кз
U p = U в U p = U в
φ p = 180 - φ а φ p = φ а t 4 > t ← 3 > t 2
I p = I`` кз I p = I` кз
U p = U в U p = U в
φ p = φ а φ p = 180 - φ а
В выключателях Q1 - Q3 стоят МТЗ направленного действия. Она отличается от обычной МТЗ тем, что вводится дополнительный орган, определяющий направление мощности КЗ - реле направления мощности, который реагирует на фазу тока КЗ относительно напряжения на шинах подстанции в месте установки комплекта защиты, то «-» знак мощности и реле направления мощности блокирует комплект защиты. Если направление мощности КЗ от шин к линии, то это «+» знак мощности КЗ и реле направления мощности, закрывая свои контакт, разрешает комплекту МТНЗ действовать.
В результате действия направленной защиты 2 и 3 комплект не нужно согласовывать, т.к. они развязаны с помощью направленного действия реле.Эта страница нарушает авторские права
