Автоматические выключатели постоянного тока служат для отключения цепи под нагрузкой. На тяговых подстанциях выключатели применяются для отключения питающих линий 600 в при перегрузках и токах короткого замыкания и для отключения обратного тока у выпрямительных агрегатов при обратных зажиганиях или пробое вентилей (т. е. внутренних коротких замыканий при параллельной работе агрегатов).
Гашение электрической дуги автоматическими выключателями происходит в воздухе на дугогасительных рогах. Удлинение дуги может быть произведено при помощи магнитного дутья или в камерах с узкими щелями.
Во всех случаях отключения цепи и образования электрической дуги происходит естественное движение дуги вверх вместе с движением нагретого ею воздуха, т. е. тепловое дутье.
На тяговых подстанциях применяются главным образом быстродействующие автоматические выключатели.
Рис. 1. Осциллограммы тока и напряжения при отключении тока короткого замыкания: а - небыстродействующим выключателем, б — быстродействующим выключателем
Полное время Т отключения тока короткого замыкания или перегрузки выключателем слагается из трех основных частей (рис. 1):
где t0—время нарастания тока в отключаемой цепи до величины тока уставки, т. е. до величины, при которой срабатывает отключающее устройство выключателя; t1 — собственное время отключения выключателя, т. е. время от момента достижения тока уставки до момента начала расхождения контактов выключателя; t2 — время горения дуги.
Время нарастания тока в цепи t0 зависит от параметров цепи и уставки выключателя.
Собственное время отключения t1 зависит от типа выключателя: у небыстродействующих выключателей собственное время отключения находится в пределах 0,1—0,2 сек, у быстродействующих — 0,0015—0,005 сек.
Время горения дуги t2 зависит от величины отключаемого тока и характеристик дугогасительных устройств выключателя.
Полное время отключения небыстродействующего выключателя находится в пределах 0,15—0,3 сек, быстродействующего — 0,01 — 0,03 сек.
Благодаря малому собственному времени отключения быстродействующий выключатель ограничивает максимальное значение тока короткого замыкания в защищаемой цепи.
На тяговых подстанциях применяются быстродействующие автоматические выключатели постоянного тока: ВАБ-2, АБ-2/4, ВАТ-43, ВАБ-20, ВАБ-20М, ВАБ-28, ВАБ-36 и другие.
Выключатель ВАБ-2 является поляризованным, т. е. реагирующим на ток только одного направления — прямого или обратного, в зависимости от настройки выключателя.
На рис. 2 показан электромагнитный механизм выключателя постоянного тока.
Рис. 2. Электромагнитный механизм выключателя ВАБ-2: а - разрез выключателя, б — границы предельного износа контактов выключателя ВАБ-2, (A - минимальная толщина неподвижного контакта 6 мм, Б — минимальная толщина подвижного контакта 16 мм); 1 — удерживающая катушка, 2— магнитопровод, 3—включающая катушка, 4 — магнитный якорь, 5 — верхний стальной брус, 6 — якорь, 7 — катушка главного юка, 8 — калибровочная катушка, 9 — П-образный магнитопровод, 10 — токоведущий вывод, 11 —регулировочный винт, 12 — шунтирующая пластина, 13 — гибкая связь, 14 – упор, 15 — рычаг якоря, 16 — ось рычага якоря, 17 — неподвижный контакт, 18 — подвижный контакт, 19 — контактный рычаг, 20 — ось контактного рычага, 21 — ось с роликом, 22 — стопорный рычаг, 23 — отключающие пружины, 24 — тяга, 25 — регулирующие винты, 26 — скоба, 27 — сердечник удерживающей катушки
Рычаг якоря 15 (рис. 2, а) вращается вокруг оси 16, пропущенной через верхний стальной брус 5. В нижней части рычага 15, состоящего из двух силуминовых щек, зажат стальной якорь 6, а в верхней части — распорная втулка с осью 20, вокруг которой вращается контактный рычаг 19, выполненный из набора дюралюминиевых пластин.
В верхней части контактного рычага укреплен подвижный контакт 18, а снизу — медный башмак с гибкой связью 13, с помощью которой подвижный контакт соединяется с катушкой главного тока 7 и через нее с выводом 10. К нижней части контактного рычага с обеих сторон прикреплены упоры 14, а с правой стороны имеется стальная ось с роликом 21, к которой крепятся одной стороной две отключающие пружины 23. С другой стороны отключающие пружины с помощью регулирующих винтов 25 закреплены в скобе 26, неподвижно установленной на стальном брусе 5.
В отключенном положении система рычагов (рычаг якоря и контактный рычаг) повернута отключающими пружинами 23 вокруг оси 16 до упора якоря 6 в левый стержень П-образного магнитопровода.
Включающая 3 и удерживающая 1 катушки выключателя получают питание от собственных нужд постоянного тока.
Для включения выключателя необходимо сначала замкнуть цепь удерживающей катушки 1, затем — цепь включающей катушки 3. Направление тока в обеих катушках должно быть таким, чтобы магнитные потоки, создаваемые ими, складывались в правом стержне сердечника магнитопровода 9, который служит сердечником включающей катушки; тогда якорь 6 притянется к сердечнику включающей катушки, т. е. окажется в положении «Включено». При этом ось 20 вместе с контактным рычагом 19 повернутся влево, отключающие пружины 23 растянутся и будут стремиться повернуть контактный рычаг 19 вокруг оси 20.
Когда выключатель отключен, магнитный якорь 4 лежит на торце сердечника включающей катушки и при включении выключателя остается притянутым к торцу сердечника суммарным магнитным потоком включающей и удерживающей катушек. Магнитный якорь 4 с помощью тяги 24 связан со стопорным рычагом 22, который не позволяет контактному рычагу повернуться до упора подвижного контакта в неподвижный. Поэтому между главными контактами остается зазор, который может регулироваться изменением длины тяги 24 и должен быть равен 1,5—4 мм.
Если снять напряжение с включающей катушки, то электромагнитные силы, удерживающие якорь 4 в притянутом положении, уменьшатся и пружины 23 с помощью стопорного рычага 22 и тяги 24 оторвут якорь от торца сердечника включающей катушки и повернут контактный рычаг до замыкания главных контактов. Следовательно, главные контакты замкнутся только после того, как будет разомкнута цепь включающей катушки.
Таким образом осуществляется принцип свободного расцепления у выключателей ВАБ-2. Зазор между магнитным якорем 4 (иначе называемым якорем свободного расцепления) и торцом сердечника включающей катушки во включенном положении выключателя должен быть в пределах 1,5—4 мм.
Схема управления предусматривает подачу на включающую катушку кратковременного импульса тока, длительность которого достаточна только для того, чтобы успеть перевести якорь в положение «Включено». После этого цепь включающей катушки автоматически размыкается.
Наличие свободного расцепления может быть проверено следующим способом. Между главными контактами помещают бумажку и замыкают контакт контактора. Происходит включение выключателя, но пока контакт контактора замкнут, главные контакты не должны замкнуться и бумажка может быть свободно вынута из промежутка между контактами., Как только контакт контактора будет разомкнут, магнитный якорь будет оторван от торца сердечника включающей катушки и замкнутся главные контакты. При этом бумажка будет зажата между контактами и ее нельзя будет вынуть.
При включении выключателя слышен характерный двойной удар: первый — от соударения якоря и сердечника включающей катушки, второй — от соударения замкнувшихся главных контактов.
Поляризация выключателя заключается в выборе направления тока в удерживающей катушке в зависимости от направления тока в катушке главного тока.
Для того чтобы выключатель отключил цепь при изменении направления тока в ней, направление тока в удерживающей катушке выбирается таким образом, чтобы магнитные потоки, создаваемые удерживающей катушкой и катушкой главного тока, совпадали по направлению в сердечнике включающей катушки. Следовательно, при протекании тока в прямом направлении ток главной цепи будет способствовать удержанию выключателя во включенном положении.
В аварийном режиме при изменении направления главного тока на обратное изменится направление магнитного потока, создаваемого катушкой главного тока в сердечнике включающей катушки, т. е. магнитный поток катушки главного тока будет направлен против магнитного потока удерживающей катушки и при определенной величине главного тока сердечник включающей катушки размагнитится и отключающие пружины отключат выключатель. Быстродействие определяется в большей степени тем, что в то время как в сердечнике включающей катушки магнитный поток уменьшается, в сердечнике катушки главного тока магнитный поток увеличивается.
Для того чтобы выключатель отключил цепь при увеличении тока выше тока уставки в прямом направлении, выбирают направление тока в удерживающей катушке таким образом, чтобы магнитный поток удерживающей катушки в сердечнике включающей катушки был направлен против магнитного потока катушки главного тока при протекании через нее тока прямого направления. В этом случае с увеличением главного тока увеличивается размагничивание сердечника включающей катушки и при определенной величине главного тока, равной или превышающей ток уставки, выключатель отключается.
Ток уставки в обоих случаях регулируется изменением величины тока удерживающей катушки и изменением зазора δ1.
Величина тока удерживающей катушки регулируется изменением величины добавочного сопротивления, включаемого последовательно катушке.
Изменение зазора δ1 изменяет сопротивление магнитному потоку катушки главного тока. С уменьшением зазора δ1 уменьшается магнитное сопротивление и, следовательно, уменьшается величина отключающего тока. Изменение зазора δ1 осуществляется при помощи, регулировочного винта 11.
Зазор δ2 между упорами 14 и щеками рычага якоря 15 во включенном положении выключателя характеризует качество замыкания главных контактов и должен быть в пределах 2—5 мм. Завод выпускает выключатели с зазором δ2 равным 4—5 мм. Величина зазора δ2 определяет угол поворота контактного рычага 19 вокруг оси 20.
Отсутствие зазора δ2 (упоры 14 соприкасаются со щеками рычага якоря 15) говорит о плохом контакте или отсутствии контакта между главными контактами. Зазор δ2 меньше 2 или больше 5 мм свидетельствует о том, что главные контакты соприкасаются лишь нижним или верхним краем. Зазор δ2 может быть мал вследствие большого износа контактов, которые в этом случае заменяются.
Если же размеры контактов достаточны, то регулирование зазора δ2 осуществляется путем передвижения всего включающего механизма по раме выключателя. Для передвижения механизма освобождают два болта, которыми механизм прикреплен к раме.
Расстояние между главными контактами в отключенном положении должно быть равно 18—22 мм. Нажатие главных контактов для выключателей на номинальный ток до 2000 а включительно должно быть в пределах 20—26 кГ, а для выключателей на номинальный ток 3000 а — в пределах 26—30 кГ.
На рис. 2, б показана подвижная система выключателя с обозначением границы предельного износа контактов. Подвижный контакт считается изношенным, когда размер Б станет меньше 16 мм, а неподвижный контакт — когда размер А станет меньше 6 мм.
На рис. 3 дана развернутая схема управления выключателем ВАБ-2. Схема предусматривает подачу кратковременного импульса на включающую катушку и не допускает многократные повторные включения при длительно нажатой кнопке включения, т. е. осуществляет защиту от «звонковости». Удерживающая катушка все время обтекается током.
Для включения выключателя нажимают на кнопку «Вкл», замыкая этим цепь катушек контактора К и блокирующего РБ. При этом срабатывает только контактор, который замыкает цепь включающей катушки ВК.
Как только якорь займет положение «Включено», замыкающие блок-контакты БА выключателя замкнутся, а размыкающие — разомкнутся. Один из блок-контактов шунтирует катушку контактора К, который разорвет цепь включающей катушки. В этом случае все напряжение сети будет приложено к катушке блокирующего реле РБ, которое, сработав, своими контактами еще раз шунтирует катушку контактора.
Для повторного включения выключателя надо разомкнуть кнопку включения и вновь ее замкнуть.
Разрядное сопротивление CP, включенное параллельно удерживающей катушке ДК, служит для снижения перенапряжения при размыкании цепи катушки. Регулируемое сопротивление СД обеспечивает возможность изменения тока удерживающей катушки.
Номинальный ток удерживающей катушки при напряжении 110 в равен 0,5 а, а номинальный ток включающей катушки при том же напряжении и параллельном соединении обеих секций — 80 а.
Рис. 3. Электрическая схема управления выключателем ВАБ-2: Откл. — кнопка отключения, ДК — удерживающая катушка, СД — добавочное сопротивление, CP — разрядное сопротивление, БА— блок-контакты выключателя, ЛK, ЛЗ — красная и зеленая сигнальные лампы, Вкл. — кнопка включения, К — контактор и его контакт, РБ — реле блокировки и его контакт, ВК — включающая катушка, АП — автоматический переключатель
Допустимы колебания напряжения оперативных цепей от — 20% до + 10% от номинального напряжения.
Полное время отключения цепи выключателем ВАБ-2 составляет 0,02—0,04 сек.
Гашение дуги при разрыве выключателем цепи под нагрузкой происходит в дугогасительной камере с помощью магнитного дутья.
Катушка магнитного дутья обычно включена последовательно главному неподвижному контакту выключателя и представляет собой виток главной токоведущей шины, внутри которого находится сердечник, выполненный из стальной ленты. Для концентрации магнитного поля в зоне образования дуги на контактах сердечник катушки магнитного дутья у выключателей имеет полюсные наконечники.
Камера дугогашения (рис. 4) представляет собой плоскую коробку, выполненную из асбестоцемента, внутри которой сделаны две продольные перегородки 4. В камере установлен рог 1, внутри которого проходит ось вращения камеры. Этот рог электрически связан с подвижным контактом. Другой рог 7 укреплен на неподвижном контакте. Для обеспечения быстрого перехода дуги с подвижного контакта на рог 1 расстояние рога от контакта должно быть не более 2—3 мм.
Возникшая при отключении между контактами 2 и 6 электрическая дуга под действием сильного магнитного поля катушки магнитного дутья 5 быстро выдувается на рога 1 и 7, удлиняется, охлаждается встречным потоком воздуха и стенками камеры в узких щелях между перегородками и быстро гаснет. Рекомендуется в стенки камеры в зоне дугогашения вставлять керамические плитки.
Камеры дугогашения выключателей на напряжение 1500 в и выше (рис. 5) отличаются от камеры на напряжение 600 в большими габаритными размерами и наличием в наружных стенках отверстий для выхода газов и устройства дополнительного магнитного дутья.
Рис. 4. Камера дугогашения выключателя ВАБ-2 для напряжения 600 в: 1 и 7 — рога, 2 — подвижный контакт, 3 — наружные стенки, 4 — продольные перегородки, 5 — катушка магнитного дутья, 6 — неподвижный контакт
Рис. 5. Камера дугогашения выключателя ВАБ-2 для напряжения 1500 в: а — устройство камеры, б — схема дугогашения с дополнительным магнитным дутьем; 1 — подвижный контакт, 2 — неподвижный контакт, 3 — катушка магнитного дутья, 4 И 8 — рога, 5 и 6 — вспомогательные рога, 7 — вспомогательная катушка магнитного дутья, I, II, III, IV — положение дуги в процессе гашения
Устройство дополнительного магнитного дутья представляет собой два вспомогательных рога 5 и 6, между которыми включена катушка 7. По мере удлинения дуги она начинает замыкаться через вспомогательные рога и катушку, которая вследствие протекания через нее тока создает дополнительное магнитное дутье. Во всех камерах снаружи имеются металлические полюсные накладки.
Для быстрого и устойчивого гашения дуги расхождение контактов должно быть не менее 4—5 мм.
Корпус выключателя выполнен из немагнитного материала — силумина — и соединен с подвижным контактом, поэтому во время работы находится под полным рабочим напряжением.
Выключатель автоматический быстродействующий постоянного тока ВАТ-42
Эксплуатация автоматических выключателей постоянного тока
В эксплуатации необходимо следить за состоянием главных контактов. Падение напряжения между ними при номинальной нагрузке должно быть в пределах 30 мв.
Зачистку контактов от окиси производят проволочной щеткой (крацовкой). При появлении наплывов их снимают напильником, однако опиливать контакты для восстановления их первоначальной плоской формы не следует, так как это приводит к быстрому их износу.
Необходимо периодически очищать стенки камеры дугогашения от медных и угольных налетов.
При ревизии выключателя постоянного тока производят проверку изоляции держащей и включающей катушек по отношению к корпусу, а также сопротивления изоляции стенок камеры дугогашения. Изоляция камеры дугогашения проверяется приложением напряжения между главными подвижным и неподвижным контактами при закрытой камере.
Перед вводом выключателя в эксплуатацию после ремонта или длительного хранения камера его должна подвергнуться сушке в течение 10—12 ч при температуре 100—110° С.
После сушки камера устанавливается на выключатель и измеряется сопротивление изоляции между двумя точками камеры, расположенными против подвижного и неподвижного контактов, когда они разомкнуты. Это сопротивление должно быть не менее 20 мом.
Калибровка уставок выключателей производится в лаборатории током, получаемым от низковольтного генератора номинальным напряжением 6—12 в.
На подстанции калибровка выключателей производится током нагрузки или при помощи нагрузочного реостата при номинальном напряжении 600 в. Может быть рекомендован способ калибровки выключателей постоянного тока при помощи калибровочной катушки из 300 витков провода ПЭЛ диаметром 0,6 мм, насаженной на сердечник катушки главного тока. Пропуская через катушку постоянный ток, по количеству ампервитков в момент отключения выключателя устанавливают величину токовой уставки. Выключатели первого исполнения, выпускавшиеся ранее, отличаются от выключателей второго исполнения наличием масляного демпфера.