Любая электрическая сеть нуждается в защите от сверхтоков — токов, сила которых превышает рабочее значение электроцепи. Они возникают в результате короткого замыкания или перегрузки и могут вывести из строя элементы цепи или стать причиной возгорания изоляции проводников.
Для предохранения электроцепей от возможных повреждений при коротком замыкании и перегрузке используются специальные устройства, называемые автоматическими выключателями.
Для защиты электросетей, рассчитанных на силу тока до 125 А, используются компактные автоматические выключатели модульного типа. В цепях, где протекают токи величиной до 1600 А, применяются среднегабаритные защитные аппараты — автоматические выключатели в литом корпусе. Защита же систем с токами до 6 300 А — прерогатива автоматических воздушных выключателей.
Назначение автоматических воздушных выключателей
Автоматические выключатели воздушного типа применяются для:
- нечастых выключений и включений силовых электрических сетей (в ручном режиме);
- размыкания электроцепей при перегрузке или возникновении короткого замыкания (в автоматическом режиме);
- автоматического обесточивания электрооборудования с целью его защиты от поломок при низком напряжении в сети;
- защиты цепей в различных системах автоматического ввода резервного питания, например, в таких, где используются контакторы и магнитные пускатели.
Описание
К устройствам подобного вида предъявляются определенные требования, среди них обеспечение безопасного продолжительного использования и надежная защита от перегрузок и замыканий в сети. Качество исполнения прибора имеет особую роль, так как эксплуатация воздушных выключателей может происходить в различных температурных и влажностных условиях, при наличии вибронагрузок и частого переключения. Электроприемники находятся под электродинамическим и тепловым воздействием от выключателей, благодаря этому минимизируются технологические потери и увеличивается срок эксплуатации.
Автоматические воздушные выключатели одновременно управляют сетью и защищают ее. Они классифицируются на несколько видов по времени реагирования, которое отводится на размыкание контактов с момента сигнала:
- селективные;
- стандартные;
- быстродействующие (имеют токоограничивающую функцию).
Почему выключатель называется воздушным?
Использование слова «воздушный» в названии автоматического выключателя связано со способом гашения электрической дуги внутри аппарата.
При размыкании и смыкании контактов выключателя между ними возникает электрическая дуга, которую необходимо быстро погасить, чтобы не допустить повреждения прибора.
Полюсы автоматического воздушного выключателя находятся не в отдельных камерах, а в едином пространстве, заполненном воздухом и разделенном перегородками. Таким образом, гашение дугового разряда у них происходит в воздушной среде. Отсюда и название.
Для чего предназначен и где применяется
Данный тип автоматов может быть использован как на промышленных предприятиях, так и в частных квартирах. Это возможно благодаря разнообразию их габаритов и различному весу устройств. Они могут быть не только минимальных размеров (квартирные автоматы), но и достаточно больших (выкатного типа), которые оснащены контроллером параметров.
Используют их для защиты электрических приборов и высоковольтных линий передач от повышенного потребления тока и короткого замыкания. Это достигается путем определения количества тока, который протекает через автомат.
Конструкция автоматических воздушных выключателей достаточно проста, что делает их очень популярными и востребованными на рынке коммутационных устройств.
Среди его преимуществ можно назвать мгновенное отключение сети, оснащение внутренними механизмами защиты и повышенную устойчивость к перепадам температуры, которая возникает из-за амплитуды мощности тока.
Основные характеристики воздушного выключателя
Одной из основных характеристик автоматического воздушного выключателя является номинальный ток расцепителя. Это ток, на который рассчитана эксплуатация прибора. Он протекает через выключатель, не вызывая его срабатывания. Выключение аппарата происходит лишь в случае превышения значения номинального тока.
Другая важная характеристика выключателя – предельная коммутационная способность (ПКС). Это наибольший ток короткого замыкания, который «воздушник» способен отключить.
Еще один немаловажный параметр автомата – коммутационная (электрическая) износостойкость. Ее значение отражает количество циклов включения и выключения – ресурс работы аппарата.
Как устроен автоматический воздушный выключатель
Когда отключается нагрузка мощных электрических приборов, расходящиеся контакты образовывают своеобразную дугу. Ее сила может быть равна номинальному току. Такая дуга, появляется в результате повышения температуры и образования плазмы и может плавить контакты коммутационного устройства, а также вызывать КЗ. Стоит ли говорить, что это обычно приводит к выводу из строя дорогостоящей техники. Для защиты от действий данной дуги была разработана дугогасительная камера, которая установлена в автоматический воздушный выключатель. Его конструкцию вы можете найти на одном из изображений, представленных в сети.
Чтобы не допускать ошибок в использовании воздушного выключателя, следует внимательно изучить его конструкцию.
Управление воздушным выключателем
Управлять выключателем можно как в ручном режиме, так и дистанционно. Чтобы вручную запустить его в работу, необходимо с помощью специальной рукоятки взвести пружину механизма расцепления, а затем нажать кнопку включения. Вывод «воздушника» из работы производится нажатием кнопки отключения.
Дистанционное включение аппарата осуществляется посредством моторного привода, который после подачи питания автоматически взводит пружину, и катушки включения, замыкающей контакты. За отключение отвечает другая катушка, размыкающая контакты.
Выдвижные воздушные выключатели
Силовые воздушные выключатели выпускаются в стационарном и выдвижном исполнениях. Выдвижной автомат – это система, состоящая из самого аппарата и корзины, в которую он устанавливается.
Корзина крепится к рейкам вводно-распределительного устройства. Она имеет направляющие и шасси для легкого вкатывания и выкатывания воздушного выключателя.
Перемещение автомата в корзине вперед или назад осуществляется вращением специальной ручки. Выдвижной выключатель может находится в трех положениях: «Рабочее», «Тест», «Отключено».
В рабочем положении включены все цепи – главная и вспомогательная: аппарат функционирует в нормальном режиме. При выдвижении выключателя контакты главной цепи размыкаются, и «воздушник» оказывается в положении, позволяющем проводить его тестирование. Дальнейшее вращение ручки выдвижного механизма приводит уже и к размыканию контактов вспомогательной цепи, что позволяет производить работы по обслуживанию автоматического выключателя.
Принцип действия
В момент разрывания контактов возникает дуга. Достигая решетки камеры дугогашения, она начинает вытягиваться, а под действием тепла воздух, находящийся в камере, вытекает через решетки, увлекая дальше за собою продукты образованные плазмой, прекращая ее проявления физически.
Понимание процессов, происходящих в коммутируемых цепях, а также способы подавления нежелательных явлений, помогли создать достаточно компактные по размеру и весу аппараты, способные производить отключения тока сотнями ампер. На фото ниже представлен типичный представитель автоматического воздушного выключателя:
Примеры применения автоматических воздушных выключателей
Сильноточные воздушные автоматические выключатели могут применяться везде, где требуется обеспечить защиту силовых электроцепей, – как на объектах гражданского, так и промышленного назначения.
Например, они используются в качестве вводных автоматов в трансформаторных подстанциях (ТП) и главных распределительных щитах (ГРЩ) многоквартирных домов, в которые от ТП и поступает электрическая энергия.
Широко «воздушники» применяются и в промышленности, обеспечивая защиту сталеплавильных печей, прокатных станов и другого производственного электрооборудования.
Автоматические воздушные выключатели EKF
Компания EKF выпускает широкий спектр автоматов, в том числе воздушные выключатели линеек ВА-45 и ВА-450 EKF PROxima. Серия ВА-45 объединяет в себе аппараты, рассчитанные на токи от 630 до 5 000 А и имеющие предельную коммутационную способность от 80 до 100 кА. «Воздушники» 450-й серии с ПКС 80 кА предназначены для работы с токами от 200 до 1600 А.
Автоматические воздушные выключатели EKF выпускаются в двух исполнениях – стационарном и выкатном. В базовую комплектацию аппаратов ВА входят катушки включения и отключения, электропривод взвода пружины, реле минимального напряжения и дополнительные контакты, к которым можно подключить устройства для дистанционного мониторинга состояния выключателя.
Автомат силовой трехфазный ВА-45 оснащен электронным блоком управления (микропроцессорным расцепителем), функционал которого не ограничивается защитой от перегрузки и короткого замыкания. Он обладает широким диапазоном настроек, осуществляет вывод на дисплей текущих показателей токов по каждой фазе и информацию о параметрах срабатывания. Кроме того, электронная система управления ВА-45 имеет функции тепловой памяти, короткой выдержки, контроля температуры среды, тестирования и самодиагностики.
Аппараты ВА-450 являются довольно компактными для воздушных выключателей устройствами и имеют, вне зависимости от номинала, один габарит. В ряду функций их электронного блока управления – защита от перегрузки, короткого замыкания и замыкания на землю, память неисправностей, тепловая память и самодиагностика.
Линейка воздушных выключателей от компании EKF включает в себя большое количество моделей, что позволяет без труда подобрать оптимальный аппарат для конкретного проекта, вне зависимости от его масштаба и уровня сложности.
Автоматические воздушные выключатели
Автоматические воздушные выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения электрической цепи при возникновении в ней перегрузки, короткого замыкания, снижении напряжения ниже установленного значения, изменении направления передачи энергии. Они применяются также в качестве коммутирующих аппаратов ручного управления для нечастых включений и отключений потребителей электрической энергии, например, электродвигателей небольшой мощности. «Воздушными» автоматические выключатели называют потому, что гашение электрической дуги на коммутирующем контакте происходит в воздушной среде. Узел защиты с автоматическим выключателем (АВ) рассмотрен в п. 5.1, рис. 5.1а.
В зависимости от типа АВ может выполнять одну или несколько функций защиты. Например, установочный
автомат в большинстве исполнений защищает электрическую цепь от короткого замыкания и от перегрузки. Для этого в нем предусмотрены воспринимающие элементы –
расцепители
, аналогичные по принципу действия воспринимающим элементам электромагнитного реле максимального тока и электротеплового реле. Автомат, защищающий электрическую цепь от чрезмерного снижения напряжения, имеет рацепитель, подобный воспринимающему элементу электромагнитного реле минимального напряжения.
Максимальный расцепитель (реагирующий на ток короткого замыкания) и минимальный расцепитель (реагирующий на снижение напряжения) по существу представляет собой электромагнитный механизм (см. [1], п. 4.1) с якорем, втягивающимся в катушку под действием электромагнитной силы тяги. Якорь воздействует на защелку механической передачи (см. [1], п. 3.2), которую (МП) называют механизмом свободного расцепления
. Для этого механизма предусматривают также ручной привод, чтобы человек мог осуществлять включение и выключение автомата.
В автоматических выключателях, выполняющих функцию защиты от изменения направления передачи энергии (от «обратного тока», от «обратной мощности») есть независимый расцепитель
, выполненный как электромагнитный механизм. В некоторых автоматах используются расцепители, работающие по принципу электродинамического преобразователя (см. [1], п. 3.4.), а также полупроводниковые расцепители.
Автоматический воздушный выключатель с несколькими видами защит представлен структурной схемой на рис. 5.7.
Автоматический воздушный выключатель (АВВ) воздействует на контролируемую им электрическую цепь (ЭЦК) коммутирующим контактом (КК), изменяя сопротивление (RK
) цепи. При разомкнутом КК приемник электрической энергии (ПЭЭ) отключен от питания со стороны источника электрической энергии (ИЭЭ). Количество коммутирующих (главных) контактов может быть от одного до трех. В контактной системе предусматривают устройства гашения электрической дуги, обычно, дугогасительные решетки (см. [1], п. 2.8). В некоторых автоматах устанавливают дополнительные дугогасительные контакты, и могут быть предусмотрены вспомогательные контакты для коммутации слаботочных цепей сигнализации и управления.
В зависимости от типа автомата его узел расцепителей (УР) состоит из определенной комбинации расцепителей из следующего состава:
Р1 – расцепитель минимального напряжения U
(
минимальный расцепитель
, реагирующий на снижение напряжения);
Р2 – расцепитель максимального тока I
(
максимальный расцепитель
, реагирующий на ток короткого замыкания);
Р3 –независимый расцепитель, на который подается сигнал Uнпэ
, несущий информацию, например, об изменении направления передачи энергии в цепи ЭЦП;
РТ – расцепитель тока перегрузки (тепловой расцепитель, реагирующий на ток пергрузки).
Узел УР установочного автомата
с комбинированным расцепителем состоит из расцепителей Р2 и РТ.
Универсальный автомат
имеет расцепители Р1, Р2. В зависимости от назначения и по составу узла расцепителей выделяют также максимальные автоматы по току, минимальные автоматы по току, максимальные автоматы, реагирующие на производную тока по времени, и др. [9]. Для построения селективно действующей защиты в АВ предусматривают возможность регулировки тока и времени срабатывания.
Каждый из расцепителей независимо воздействует на механизм свободного расцепления (МСР), снимая упор с защелки механической передачи (см. [1] п. 3.2). Это приводит к размыканию коммутирующих контактов КК. Поэтому отключение поврежденного участка электрической цепи ЭЦК и приемника ПЭЭ произойдет тогда, когда хотя бы один из контролируемых параметров цепи ЭЦК выйдет за пределы области допустимых значений, определенной соответствующими уставками расцепителей. Включение автомата для замыкания электрической цепи ЭЦК и отключение автомата для размыкания цепи производится человеком воздействиями хвкл
и
хотк
на рычажный или кнопочный орган ручного управления (ОрУ) автомата (рис. 5.7).
На рис. 5.8а приведена электрическая схема, иллюстрирующая подключение установочного автомата к трехфазной сети и его условное обозначение на схеме. Действие автомата (QF) при автоматическом отключении двигателя (М) комбинированным расцепителем максимального тока и тока перегрузки представляют с помощью времятоковой характеристики, которую приводят в паспорте автомата. Типовой вид времятоковой (защитной) характеристики установочного автомата с комбинированным расцепителем изображен на рис. 5.8б.
Участок a-b
времятоковой характеристики создается электротепловым расцепителем, выполняющим функцию защиты по току перегрузки при
I >IРТ
, где
IРТ
— уставка тока срабатывания электротеплового расцепителя (при
tср
>>
ТР
– см. п. 5.3). Участок
c-d
обусловлен действием электромагнитного расцепителя максимального тока. Время срабатывания
τср
автоматического выключателя от электромагнитного расцепителя практически не зависит от силы тока
I
, если сила тока превышает уставку
IРЭМ
электромагнитного расцепителя.
В зависимости от быстродействия выделяют: 1) нормальные автоматы, собственное время срабатывания которых составляет 0,02…0,1 с; 2) селективные автоматы, обеспечивающие выдержку на отключение до 1 с; 3) быстродействующие автоматы, время срабатывания которых составляет тысячные доли секунды.
Автоматы выпускаются на переменные напряжения от 220 до 660 В и постоянные напряжения от 110 до 440 В. Наибольшее применение получили автоматы следующих серий:
АЗ000 – наиболее распространенная серия. Рассчитаны на переменные напряжения 380, 660 В, постоянные напряжения до 440 В. Отключаемые токи (коммутационная способность) до 60 кА.
АЕ1000, АЕ2000 — для защиты цепей и электроприемников от перегрузки и коротких замыканий. Напряжения: переменные 380, 660 В, постоянные 110, 220 В. Отключаемые токи от 1 до 10 кА.
«Электрон» — для установки в распределительных устройствах на постоянное напряжение до 440 В и переменное до 660 В. Отключаемый ток от 50 до 160 кА.
Автоматические воздушные выключатели серии АП-50 применяют на напряжение до 500 В переменного тока и до 220 В постоянного тока. Ручной привод имеет две кнопки – одну на включение, другую на отключение автомата. Выключатель имеет электромагнитный расцепитель и электротепловой расцепитель. Номинальный ток расцепителей до 50 А. Уставку электротеплового расцепителя можно регулировать на 30…40% в сторону уменьшения относительно номинального тока.
Автоматы выбирают по числу полюсов, по номинальным значениям тока и напряжения. Номинальные значения напряжения UНав
и тока
IНав
автомата по отношению к номинальному значению напряжения сети
UНсети
и номинальному току нагрузки (двигателя)
IНдв
должны удовлетворять следующим условиям:
UНав
≥
UНсети
,
IНав
≥
IНдв
.
Уставки IРТ
,
IРЭМ
токов для защиты двигателя электропривода обычно определяют следующим образом:
для электротеплового расцепителя (защита от перегрузки) – по номинальному току двигателя IНдв
,
IРТ≥
(1,2…1,4)
IНдв
;
для электромагнитного расцепителя (защита от короткого замыкания) – по наибольшему значению тока какого-либо переходного процесса Iпер
(пуск, реверс, торможение),
IРЭМ ≥
(1,5…2,0)
Iпер
.
Предельный ток отключения автомата
должен быть не менее возможного тока короткого замыкания в цепи.
Устройства защиты двигателя мотор-автоматы
(серии MS, GV, отечественных аналогов пока нет) с комбинированным расцепителем специально разработаны для применения в цепях защиты электродвигателей. Они имеют некоторые особенности:
• выпускаются только в трехполюсном исполнении;
• рассчитаны на номинальные токи от 16 до 100 А;
• номинальный ток двигателя устанавливается на автомате (серии GV) с помощью регулироволчного диска;
• имеют точную подстройку теплового расцепителя;
• уставка электромагнитного расцепителя составляет, как правило,
(12 … 14)IНав
, что соответствует работе автомата на индуктивную нагрузку (режим пуска АС-3);
• выключатели имеют высокую электродинамическую стойкость – до 100 кА;
• выключатели имеют на корпусе рычаг или кнопки ручного включения и отключения нагрузки;
• конструкция корпуса позволяет объединить в единый компактный блок автомат и согласованный с ним по габаритам пускатель;
• выключатели имеют либо встроенные, либо навесные быстромонтируемые дополнительные контакты, срабатывающие при перегрузках и короткихзамыканиях;
• глубина защиты электродвигателя может быть повышена за счет отдельно поставляемых быстромонтируемых элементов – независимого расцепителя и реле минимального напряжения.
