Что такое автоматический выключатель, его назначение, конструкция, характеристики и классификация

В данной статье узнаете что такое автоматический выключатель, его назначение, конструкция, характеристики и классификации.

Автоматический выключатель — это переключающее устройство, которое прерывает ненормальный ток или ток повреждения. Это механическое устройство, которое нарушает поток тока большой величины (неисправности) и, кроме того, выполняет функцию выключателя. Автоматический выключатель в основном предназначен для замыкания или размыкания электрической цепи, что защищает электрическую систему от повреждений.

Для чего нужен автоматический выключатель

Есть два основных назначения.

  • Во-первых, чтобы предотвратить огонь. Разрыв предохранителей и автоматических выключателей срабатывает при превышении их номинального тока. Без них избыточный ток, протекающий в цепи (из-за перегрузки или неисправности), может привести к нагреву кабелей и, в конечном итоге, к перегоранию.
  • Во-вторых, для защиты от поражения электрическим током. Если в приборе возникает неисправность, вследствие которой проводник под напряжением должен был войти в контакт с металлическим корпусом, конструкция электрической цепи (в большинстве установок, но не во всех) такова, что это приведет к сильному току, протекающему от проводника под напряжением к земле. Разрыв предохранителей или срабатывание автоматического выключателя, отключение питания и обеспечение безопасности оператора такого оборудования.

Принцип работы выключателя

Автоматический выключатель состоит из неподвижных и подвижных контактов. Эти контакты касаются друг друга и проводят ток в нормальных условиях, когда цепь замкнута. Когда автоматический выключатель замкнут, токонесущие контакты, называемые электродами, зацепляются друг с другом под давлением пружины.

В нормальном рабочем состоянии плечи выключателя могут быть открыты или закрыты для переключения и технического обслуживания системы. Для размыкания выключателя требуется только давление на триггер.

Всякий раз, когда происходит сбой в какой-либо части системы, катушка отключения выключателя получает питание, и подвижные контакты разъединяются каким-либо механизмом, тем самым размыкая цепь.

Конструкция автоматического выключателя

Картинка с Конструкциией автоматического выключателя

Основной автоматический выключатель состоит из простого выключателя, подключенного либо к биметаллической полосе, либо к электромагниту. Диаграмма выше показывает типичную конструкцию электромагнита.

Горячий провод в цепи соединяется с двумя концами выключателя. Когда переключатель находится в положении «включено», электричество может течь от нижней клеммы, через электромагнит, до подвижного контакта, через стационарный контакт и наружу к верхней клемме.

Электричество намагничивает электромагнит. Увеличение тока повышает магнитную силу электромагнита, а уменьшение тока снижает магнетизм. Когда ток переходит на небезопасный уровень, электромагнит достаточно силен, чтобы опустить металлический рычаг, соединенный с тягой переключателя. Вся связь смещается, отклоняя движущийся контакт от неподвижного контакта, чтобы разорвать цепь. Электричество отключается.

Характеристики

1) Номинальное рабочее напряжение (Ue)

Объяснение: рабочее напряжение, на которое рассчитан автоматический выключатель. Один выключатель может быть рассчитан на несколько напряжений или может быть совместим как с переменным, так и с постоянным напряжением.

2) Номинальное напряжение изоляции (Ui)

Это напряжение, при котором выключатель испытывается в лабораторных условиях. В целях безопасности это значение всегда выше номинального напряжения.

3) Номинальное импульсно-выдерживаемое напряжение (Uimp)

Максимальное пиковое напряжение, которое может выдержать автоматический выключатель без повреждений. Уимп часто имеет значение в несколько тысяч вольт.

4) Номинальный ток (в)

Максимальный ток, который допускает автоматический выключатель без отключения. Все, что выше этого значения, в конечном итоге приведет к отключению. Низкие уровни максимального тока отключают тепловую защиту в течение нескольких минут, а резкие пики тока (неисправность линии, короткое замыкание) вызывают мгновенное отключение.

5) Сервисная разрывная мощность (Ics)

Это самый большой ток короткого замыкания, который автоматический выключатель может прервать, не понеся повреждений.

6) Максимальная разрывная мощность (Icu)

Максимальный ток повреждения, который может прервать автоматический выключатель. Тем не менее, устройство постоянно повреждено при всех токах повреждения выше отключающей способности.

7) Механическая жизнь

Среднее количество раз, когда ручка выключателя может работать вручную до отказа.

8) Электрическая жизнь

Среднее количество раз, когда выключатель может отключиться до отказа.

Классификация

Существует несколько методов классификации выключателей. По типу тока их можно классифицировать как автоматические выключатели переменного тока и автоматические выключатели постоянного тока.

Выключатели переменного тока могут быть классифицированы на основе номинальных напряжений. Автоматические выключатели ниже номинального напряжения 1000 В называются низковольтными автоматическими выключателями, а свыше 1000 В называются высоковольтными выключателями. Тем не менее, наиболее общий способ классификации автоматических выключателей основан на затухании дуги, например, автоматических выключателях / миниатюрных автоматических выключателях, масляных автоматических выключателях (типа бака или наливного масла), минимальных масляных автоматических выключателей, воздуха, автоматические выключатели, выключатели на основе гексафторида серы и вакуумные выключатели. Все высоковольтные автоматические выключатели можно классифицировать по двум основным категориям: масляные автоматические выключатели и безмасляные автоматические выключатели.

В масляных выключателях используется диэлектрическое масло (трансформаторное масло) для гашения дуги. Масляные автоматические выключатели могут быть далее разделены на два класса: автоматические автоматические выключатели и автоматические выключатели с низким содержанием масла или минимальные масляные автоматические выключатели.

В маслобойных автоматических выключателях трансформаторное масло, которым они заправлены, используется для гашения дуги при размыкании контактов выключателя. Масло также служит изолятором для токопроводящих частей друг от друга и от заземленной емкости. Рейтинги варьируются от 25 МВА при 2,5 кВ до 5000 МВА при 230 кВ.

Различные типы устройств доступны как для внутренних, так и для наружных работ при различных уровнях напряжения. В автоматических выключателях с низким содержанием масла или минимальным содержанием масла масло используется для гашения дуги под воздействием взрыва и используется главным образом для этой функции, а не для изоляции токоведущих частей от земли. В таких выключателях камера, заполненная масляной дугой, расположена внутри полости фарфорового изолятора, который изолирует токоведущие части выключателя от земли.

Эти автоматические выключатели могут использоваться для диапазона напряжений от 33 кВ до 220 кВ и отключающей способности от 1500 МВА до 7500 МВА. Другой тип масляного выключателя — масляный импульсный выключатель. В этом выключателе дугогасящая масляная струя создается поршневым насосом, который получает внешнее питание с помощью пружины или сжатого воздуха.

Струя масла направлена ​​на зазор, образованный между разделительными контактами выключателя, чтобы погасить дугу. Масляно-импульсный выключатель имеет много характеристик и характеристик, аналогичных характеристикам воздушных выключателей.

Основные типы безмасляных автоматических выключателей:

1. Водяные автоматические выключатели, в которых вода используется для гашения дуги.

2. Воздушные автоматические выключатели, в которых дуга инициируется и гасится в статическом воздухе, в котором движется дуга. Такие выключатели используются для низких напряжений, как правило, до напряжений 15 кВ и разрывных мощностей до 500 МВА.

3. Воздушные автоматические выключатели, в которых воздушный поток используется для выдувания дуги. В современных воздушно-струйных автоматических выключателях сжатый воздух накапливается в резервуаре и выпускается через сопло для создания высокоскоростной струи, что используется для гашения дуги. Воздушные воздушные выключатели используются для внутренних работ в области среднего высокого напряжения и для средней разрывной мощности — как правило, до напряжений 15 кВ и мощностей до 2500 МВА. Воздушные автоматические выключатели в настоящее время используются в высоковольтных цепях на внешних распределительных устройствах для линий 220 кВ.

4. Автоматические выключатели с гексафторидом серы, в которых SF 6 под давлением используется для гашения дуги. Газ SF 6 обладает превосходными диэлектрическими, дугогасящими, химическими и другими физическими свойствами и доказал свое превосходство над другими дугогасящими средами, такими как масло или воздух.

5. Вакуумные выключатели, в которых неподвижные и движущиеся контакты размещены внутри герметичного вакуумного прерывателя. Дуга гасится, поскольку контакты разделены в высоком вакууме. Вакуумные автоматические выключатели являются более эффективными, менее громоздкими, более дешевыми по стоимости, незначительным обслуживанием и более длительным сроком службы.

1. Масляные автоматические выключатели :

Это самый старый тип автоматических выключателей. Разделительные контакты выключателей выполнены с возможностью разделения внутри изоляционного масла, которое обладает лучшими изоляционными свойствами, чем воздух. При возникновении неисправности, когда контакты прерывателя размыкаются под маслом, между ними возникает дуга, и тепло дуги испаряет окружающее масло и диссоциирует ее на значительный объем газообразного водорода (газообразный водород вместе с небольшим процентом метана, этилена и ацетилен) при высоком давлении.

На повышение давления и расход газов влияют конструкция устройства управления дугой, скорость перемещения контакта, энергия, выделяемая дугой и т. Д. Масло отталкивается от дуги, а расширяющийся пузырь водородного газа окружает дугу и соседнюю часть контактов.

Затухание дуги облегчается главным образом двумя процессами:

Во-первых, газообразный водород обладает высокой теплопроводностью и охлаждает дугу.

Во-вторых, газ создает турбулентность в масле и нагнетает ее в пространство между контактами после окончательного прерывания дуги при нулевом токе. В результате дуга гаснет, а ток цепи прерывается.

Масляные выключатели обладают достоинствами надежности, простоты и относительной дешевизны.

Масляные выключатели можно разделить на:

1. Масляные автоматические выключатели, использующие большое количество масла, также называемого типом мертвого резервуара, поскольку резервуар удерживается на потенциале земли. Такие выключатели доступны во всех классификациях напряжения и номинальных напряжений для внутреннего и наружного применения.

2. Автоматические выключатели с низким содержанием масла, которые работают с минимальным количеством масла, поэтому иногда их называют минимальными масляными выключателями или выключателями с небольшим количеством масла. Эти автоматические выключатели также иногда называют автоматическими выключателями в баке, потому что масляный бак изолирован от земли.

Масло может быть перемещено в зону дуги после того, как ток достигнет нуля, с помощью следующих действий:

(i) Из-за давления, вызванного естественным напором масла,

(ii) давлением, создаваемым действием самой дуги,

(iii) давлением, вызванным внешними средствами.

Таким образом, масляные автоматические выключатели могут быть классифицированы как:

(i) Автоматические масляные выключатели.

(ii) Самовзрывные или самогенерируемые масляные автоматические выключатели

(iii) Внешние масляные автоматические выключатели под давлением или масляные автоматические выключатели с принудительной струей или импульсные масляные автоматические выключатели.

Масло как дугогасящая среда имеет следующие преимущества и недостатки:

Преимущества:

(i) Энергия дуги поглощается при разложении масла.

(ii) Образующийся газ, который в основном представляет собой водород, имеет высокую скорость диффузии и высокое поглощение тепла при переходе из двухатомного в монотомное состояние и, таким образом, обеспечивает хорошие охлаждающие свойства.

(iii) Масло обладает высокой диэлектрической прочностью и обеспечивает изоляцию между контактами после того, как дуга будет окончательно погашена, и было время, чтобы масло просочилось в зазор между контактами.

(iv) Охлаждающее масло представляет охлаждающую поверхность в непосредственной близости от дуги.

(v) Используемое масло (такое как трансформаторное масло) является очень хорошим изолятором и обеспечивает меньший зазор между проводниками линии и компонентами заземления.

Недостатки:

(i) Масло является легковоспламеняющимся и может привести к пожару, если неисправный масляный выключатель выйдет из строя под давлением и станет причиной взрыва.

(ii) Существует риск образования взрывоопасной смеси с воздухом.

(iii) Из-за разложения масла в дуге масло загрязняется частицами углерода, что снижает его электрическую прочность. Следовательно, требуется периодическое обслуживание и замена.

Техническое обслуживание масляных выключателей:

После того как автоматический выключатель несколько раз прервал токи короткого замыкания или несколько раз токи нагрузки, контакты могут сгореть из-за искрения. Кроме того, диэлектрическое масло обугливается вблизи контактов, тем самым теряя часть своей диэлектрической прочности. Это приводит к снижению отключающей способности выключателя.

Поэтому для технического обслуживания масляного выключателя требуется проверка и замена контактов и масла. Рекомендуется проверять автоматический выключатель с регулярными интервалами в 3 или 6 месяцев. Согласно ISS 335-1963 масло в хорошем состоянии должно выдерживать 40 кВ в течение одной минуты в стандартной чашке для испытания масла с зазором 4 мм между сферическими электродами.

При проверке масляного выключателя рекомендуется проверить следующее:

1. Все токоведущие части должны быть проверены, и дуговые контакты должны быть проверены в случае необходимости.

2. Необходимо проверить диэлектрическую прочность, состояние и уровень масла. Если диэлектрическая прочность низкая или масло сильно обесцвечено, замените его.

3. Осмотрите изоляцию на предмет возможных повреждений. Очистите поверхность и удалите отложения углерода. Никогда не используйте свободные хлопковые отходы для этой цели.

4. Проверьте механизм закрытия, отключения и блокировки.

5. Проверьте сигнальные устройства и лампы.

6. Перед закрытием резервуара убедитесь, что не осталось никаких инструментов, что накладки и ограждения резервуара находятся на своем месте и надежно закреплены, а прокладка резервуара находится в хорошем состоянии.

2. Воздушные автоматические выключатели:

Прерывание дуги в нефти связано с образованием газообразного водорода вследствие разложения нефти. Этот факт привел к изучению прерывания дуги в воздухе. Без сомнения, дугообразные свойства водорода намного превосходят воздух, но воздух имеет несколько преимуществ по сравнению с нефтью в качестве охлаждающей среды.

Это:

1. Устранение риска возгорания и технического обслуживания, связанных с использованием масла.

2. Отсутствие механических напряжений, которые создаются давлением газа и движением масла.

3. Устранение затрат на регулярную замену масла, возникающую из-за износа масла при последовательной операции разрыва.

Относительно худшие дугогасящие свойства воздуха можно компенсировать с помощью различных принципов управления дугой и работы воздуха при высоких давлениях.

В воздушном выключателе разъединение контактов и гашение дуги происходит на воздухе при атмосферном давлении. В таких автоматических выключателях используется принцип высокого сопротивления. Дуга быстро удлиняется с помощью направляющих и дугогасительных камер, а сопротивление дуге увеличивается за счет охлаждения, удлинения и расщепления.дуга Сопротивление дуги увеличивается до такой степени, что падение напряжения на дуге становится больше, чем системное напряжение, и дуга гаснет при нулевом токе переменного тока.

Воздушные автоматические выключатели используются в цепях постоянного тока и цепях переменного тока до 12 000 вольт. Такие выключатели обычно бывают внутреннего типа и устанавливаются на вертикальных панелях или в распределительном устройстве в помещении. Автоматические выключатели переменного тока широко используются в распределительных устройствах среднего и низкого напряжения внутри помещений.

3. Воздушные выключатели:

Недостатками масляных автоматических выключателей являются опасность пожара из-за воспламеняющегося масла, ухудшения качества масла, необходимости периодической замены и сложности контакта с контактами в целях технического обслуживания. Это привело к разработке автоматических выключателей, использующих сжатый воздух или газ в качестве прерывистой среды. Хотя газы, такие как азот, углекислый газ, водород или фреон, могут быть использованы в качестве среды для прерывания дуги, но сжатый воздух является приемлемой средой для прерывания цепи газовых выключателей.

Причины приведены ниже:

Азот обладает свойствами размыкания цепи, подобными сжатому воздуху, и его использование не дает дополнительных преимуществ. Недостаток диоксида углерода заключается в том, что его трудно контролировать из-за замерзания на клапанах и других ограниченных проходах. Без сомнения, водород увеличил разрывную способность, но он более дорогой и нуждается во вспомогательном оборудовании. Фреон обладает высокой диэлектрической прочностью и хорошими дугогасящими свойствами, но он дорог и разлагается дугой на кислотообразующие элементы. 

4. Серные гексафторидные (SF 6 ) выключатели:

В автоматических выключателях (масляных автоматических выключателях, автоматических выключателях и пневматических выключателях) сила тушения возрастает относительно медленно после момента разъединения контакта, и, следовательно, дуга обычно гаснет после того, как прошло несколько полупериодов тока нуль. Для предотвращения повторного зажигания дуги требуется высокая диэлектрическая прочность пути дуги и быстрое восстановление после нулевого тока.

В случае высоковольтных автоматических выключателей эти свойства особенно необходимы для быстрого затухания дуги и меньшего времени для быстрого восстановления напряжения восстановления. Вакуумные выключатели и SF 6выключатели обладают лучшими свойствами в этом отношении по сравнению с обычной объемной нефтью, минимальной нефтью, а также автоматическими выключателями воздушных взрыва. Поэтому современная тенденция заключается в использовании вакуумных выключателей и SF 6 выключателей в системах высокого напряжения.

Нефть, очевидно легковоспламеняющееся вещество для гашения горячей дуги, является хорошо зарекомендовавшей себя средой, поскольку она выделяет водород, который благодаря своей низкой массе и высокой скорости является отличной охлаждающей средой. Но современные автоматические выключатели используют тяжелый газ SF 6 в качестве среды для гашения дуги.

Газ SF 6 благодаря своим превосходным диэлектрическим, дугогасящим, химическим и другим физическим свойствам доказал свое превосходство над другими средами, такими как масло или воздух, для использования в автоматических выключателях. Несколько типов выключателей SF 6 были разработаны различными производителями в течение последних двух десятилетий для номинальных напряжений от 3,6 до 760 кВ.

До 1970-х годов в диапазоне средних и высоких напряжений использовались выключатели с воздушным, объемным, минимальным маслом и воздушным взрывом. В течение 1970-х годов были внедрены вакуумные выключатели для применений до номинального напряжения 36 кВ. Введены однофазные выключатели SF 6 с номинальным напряжением от 3,3 до 760 кВ. Уровни неисправностей и номинальные напряжения в энергосистеме увеличились. Масляные выключатели, автоматические выключатели с минимальным количеством масла, воздушно-струйные выключатели в настоящее время устаревают.

5. Автоматические выключатели постоянного тока:

Легкие выключатели постоянного тока используются с давних пор. Однако для систем HVDC отсутствуют подходящие автоматические выключатели. В настоящее время большинство систем HVDC имеют две клеммы, а в двухполюсной системе HVDC автоматические выключатели HVDC не требуются, поскольку ток короткого замыкания можно контролировать или устранять путем управления углом включения преобразователей. В многоконтактных системах HVDC возникнет необходимость в автоматических выключателях HVDC.

Проблемы прерывания постоянного тока:

Автоматический выключатель переменного тока легко прерывает дугу при нулевом собственном токе в волне переменного тока. При нулевом токе энергия (½Li 2 ), которая должна быть прервана, также равна нулю. Контактный зазор должен охлаждать и восстанавливать диэлектрическую прочность, чтобы выдерживать естественное переходное напряжение восстановления. С автоматическими выключателями постоянного тока проблема является более сложной, поскольку форма сигнала постоянного тока не имеет нулей собственного тока. Принудительное прерывание дуги приведет к высокому переходному напряжению восстановления и повторному пуску без прерывания дуги и окончательного разрушения контактов выключателя.

При проектировании автоматических выключателей постоянного тока необходимо решить три основные проблемы.

Это:

(i) Создание искусственного тока ноль

(ii) Предотвращение повторных ударов и

(iii) Рассеяние накопленной энергии.

Принцип искусственного нулевого тока используется в автоматических выключателях постоянного тока для гашения дуги. Вводя параллельную цепь LC, токи дуги подвергаются колебаниям. Эти колебания являются серьезными и имеют несколько искусственных токовых нулей. Выключатель гасит дугу в одном из нулей искусственного тока. Пиковые токи колебаний должны быть больше, чем постоянный ток, который должен быть прерван.

Что такое автоматический выключатель, его назначение, конструкция, характеристики и классификация

Последовательный резонансный контур с L и C подключен через главные контакты M обычного выключателя переменного тока через вспомогательные контакты S 1, а резистор R подключен через контакты. При нормальных условиях работы главный контакт M и зарядные контакты St остаются замкнутыми, и конденсатор C заряжается до линейного напряжения через высокое сопротивление R. Контакты S 1 разомкнуты и имеют линейное напряжение на них.

Для прерывания тока I d главной цепи рабочий механизм размыкает контакты S 2 и замыкает контакты S 1. Это инициирует разряд конденсатора C через индуктивность L, главные контакты M и вспомогательные контакты S, создавая колебательный ток, показанный на рис. 10.20 (b). Таким образом создаются нули искусственного тока, и главные контакты M выключателя размыкаются при нулевом токе Z. После этого контакты S 1 размыкаются, а контакты S 2 замыкаются.

Что такое автоматический выключатель, его назначение, конструкция, характеристики и классификация

Другим способом прерывания постоянного тока основной цепи является его отвод на конденсатор, так что величина тока, который прерывается автоматическим выключателем, становится меньше. Это показано на рис. 10.21. Конденсатор С изначально не заряжен. Когда главные контакты М размыкаются, ток главной цепи отводится на конденсатор С. Таким образом, ток, который должен прерываться основными контактами М, становится меньше. Скорость нарастания восстановительного напряжения на М равна dV c / dt = I d / C. Нелинейный резистор R поглощает энергию без значительного увеличения напряжения на главных контактах М.

Проблема предотвращения повторных пусков является более острой в автоматических выключателях с постоянным током, где время прерывания тока очень мало (порядка 100 мкс). Таким образом, возникает резкий скачок перенапрягающего напряжения на клеммах выключателя, и автоматический выключатель должен выдерживать это напряжение.

Для создания хорошей деионизирующей дуги пространство между двумя стенками желоба может быть сужено для ограничения дуги, и одновременно оно может быть разделено на несколько более мелких дуг путем вставки решетки из вертикальных металлических пластин.

Большое количество энергии, сохраняемой в индуктивности цепи в начале прерывания и подаваемой выпрямителем в течение времени прерывания, должно рассеиваться, в противном случае она будет передаваться на емкость системы и устанавливать перенапряжения.

Защитный искровой разрядник может быть подключен через автоматический выключатель, чтобы уменьшить размер коммутирующего конденсатора. Это также будет поддерживать ненормальное напряжение, вызванное в момент переключения, на желаемом уровне. С помощью высокочастотных токов искровой разрядник действует как устройство рассеивания энергии. Альтернативно, через разрядник может быть подключен разрядник Zno, который будет ограничивать переходное восстановительное напряжение и поглощать связанную энергию.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (4 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...