Быстродействующие выключатели: устройство и принцип действия

На сегодняшний день люди активно используют самые разные электрические устройства. Некоторые из них работают при достаточно больших напряжениях, а потому могут быть опасны. Быстродействующие выключатели предназначены как раз для включения и отключения электрических цепей, а также для автоматического разъединения этой цепи при возникновении короткого замыкания.

Общее описание

Сейчас можно смело утверждать, что выключатели такого рода являются одновременно и коммутационной, и защитной аппаратурой.

К примеру, в тяговых сетях постоянного тока, где напряжение достигает 3 кВ, при появлении короткого замыкания сила тока будет резко возрастать до 30-40 кА. Естественно, что такие колоссальные показатели силы тока представляют огромную угрозу для любого оборудования, подключенного к этой сети. Чаще всего это термические и динамические воздействия, приводящие к выходу из строя аппаратуры.

Отличие цепи постоянного тока и необходимость БВ

Здесь важно отметить, что между цепями переменного и постоянного тока имеется существенное отличие, из-за которого и требуется использование быстродействующих выключателей. В первом варианте происходит периодическое снижение тока до нуля и угасание дуги, во втором же ток постоянно нарастает до достижения определенного значения. Причем, как показывает практика, требуется всего несколько сотых секунд, чтобы ток достиг максимального значения. Из-за этого производить его отключение гораздо труднее. Кроме того, обычно отключение цепи постоянного тока производится гораздо раньше, чем ток достигнет максимальных значений.

Быстродействующие выключатели обычно имеют пределы отключения от 15 до 27 кА. В зависимости от определенных параметров самой цепи, такого устройства будет вполне достаточно для обеспечения своевременного отключения.

Разновидности

У быстродействующих выключателей имеется специальный механизм, отключающий сеть. ПО принципу действия этого элемента их можно разделить на две категории. Первая категория - устройства с пружинным вариантом отключения, где разрыв цепи достигается за счет усилия мощных отключающих пружин. Вторая категория - магнитно-пружинные приспособления. В них также используется сила пружины, однако к ним добавляется еще и электромагнитное воздействие для отключения цепи.

Кроме этого, есть еще один пункт, по которому быстродействующие выключатели делятся на категории - способность реагировать на направление тока.

В данном случае выделяют поляризованные и неполяризованные аппараты. Первый вид способен произвести разрыв цепи при условии, что ток будет проходить в определенном направлении. Второй же вид будет размыкать цепь при достижении определенного значения тока, не обращая внимания на то, в каком направлении он протекает непосредственно через устройство.

Стоит отметить, что ранее выпускались отечественные быстродействующие автоматические выключатели, которые пользовались широкой популярностью на тяговых подстанциях. Здесь стоит добавить, что производство некоторых моделей данного оборудования уже завершилось, однако они все еще находятся в эксплуатации.

Распространенные модели

Ранее довольно активно выпускались и применялись такие типы БВ, как АБ-2/4, ВАБ-28 и ВАБ-43. На сегодняшний же день им на смену идут такие устройства, как быстродействующие выключатели ВАБ-49 и ВАБ-50, а также их различные модификации.

Однако здесь стоит отметить одну важную деталь. Быстродействующий выключатель постоянного тока АБ-2/4 не выпускается уже пару десятков лет, однако все еще находится в активной эксплуатации на разного рода электрических участках с постоянным током. Он рассчитан на рабочий номинальный ток 2 кА и на напряжение 4 кВ.

Устройство АБ-2/4

Для крепления данного прибора у него имеется четыре изолятора, которые располагаются на раме специальной выкатной телеги. В конструкции имеется магнитопровод, которые является основной электромагнитного выключателя. Устройство быстродействующего выключателя подразумевает наличие специальной дугогасительной камеры. В данном случае она представлена лабиринтно-целевым типом и способна растянуть дугу до 4,5 метра. Для ее функционирование требуется магнитное дутье, которое в данном случае развивается за счет мощных полюсов, расположенных снаружи по обеим сторонам камеры.

Сами же провода не находятся без защиты, а встроены в специальный магнитопровод. С двух сторон от такого провода располагается камера катушки магнитного дутья. Вверху стенки данной камеры несколько расходятся и здесь же располагаются несколько, перемежающихся между собой клиновидных перегородок, образующих необходимый лабиринт. Таким образом, удается создать щель зигзагообразного типа, при помощи которой и удается растягивать дугу.

В самой верхней части камеры лабиринт прерывается. Здесь располагаются специальные пламегасительные решетки, которые представлены в виде нескольких пакетов тонких стальных пластин. Они предназначены для охлаждения, а также для деионизации газов и пламени, которыми сопровождается появление дуги.

Подключение к электрической сети

Работа быстродействующего выключателя заключается в рызмыкании цепи при КЗ и включении/отключении. Для этого в конструкции имеются два специальных контактных вывода. Они предназначены для подключения БВ к электрической сети. Подключение осуществляется через электрические шины. В конструкции также имеется шунт индуктивного типа, который представлен в виде пакета с несколькими стальными пластинами, изолированными друг от друга и одетыми на медную шину.

БВ имеет блок контактов. Они связаны с главными контактами, расположенными в нижней части дугогасительной камеры. Данная связь осуществляется за счет системы тяг и рычагов.

Устройство выключателя электромагнитного типа

Механизм электромагнитного выключателя располагается на специальной раме литого типа из чугуна. Механизм располагает магнитопроводом, который представлен двумя литыми брусьями с прямоугольным сечением. Они, в свою очередь, скреплены между собой стержнем круглого сечения, а на него надевается еще одна деталь - держащая катушка. На одном из брусьев также располагается магнитопровод П-образного вида. Он представлен несколькими стальными пластинами, каждая из которых, изолирована от другой. У магнитопровода имеются два стержня. Правый стержень предназначен для крепления включающей катушки. Левый же несет размагничивающий виток главного тока, другими словами, катушку автоматического отключения цепи. Кроме этого, здесь же имеется дополнительная катушка для калибровки. Она способна имитировать главный виток во время проведения настройки прибора.

Другой брус, в свою очередь, находится между двумя "щеками". Здесь имеется специальная ось, предназначенная для крепления якоря, который также набран из изолированных стальных пластин.

Во время поворота якоря остается зазор между ним и брусом. На данной оси между щеками также закреплен рычаг, воздействующий на подвижные контакты. Для воздействия на рычаг имеется специальная отключающая пружина, которая оттягивает его вправо. Рычаг, в свою очередь, соединен с размагничивающим витком при помощи гибкого проводника, выполненного из медной фольги. Параллельно этому же витку включается и индуктивный шунт.

У выключателя имеется и неподвижный контакт, который последовательным соединением крепится к катушке магнитного дутья. Для подключения к внешней цепи у БВ имеются два выводных контакта.

Включение прибора на примере ВБ-11

Стоит отметить, что включение оборудование осуществляется в два шага. После включения устройства нажатием кнопки ВУ осуществляется подача напряжения по проводу 20 А на удерживающую катушку. ВО время протекания тока через этот элемент, будет создаваться поток, который обычно обозначается буквой Ф. Однако он является ослабленным. Это происходит из-за того, что он замыкается через воздушный зазор, имеющийся между полюсами электромагнита, так как якорь все еще не прижат к полюсам.

"Возврат защиты"

У автоматических выключателей имеется кнопка "возврат защиты", после нажатия которой начинается подача электрического питания на вентиль. В это же время сжатый воздух начинает поступать в цилиндры пневматического привода. Поршень одного из цилиндров будет подниматься, поворачивая тягу по ходу часовой стрелки. Из-за этого будет происходить растяжение отключающей пружины. Из-за того, что вместе с тягой вверх перемещаются и стержни, будет происходить вращение магнитопровода вокруг оси, но уже против часовой стрелки.

Вместе с перемещением первого поршня, в движение приходит и второй, перемещаясь вниз, под воздействием сжатого воздуха. У поршня имеется толкатель, который при перемещении вниз, будет воздействовать на контактный рычаг и якорь. Он будет осуществлять вращение якоря до тех пор, пока тот не прижмется к полюсам электрического магнита. В это же время между главными контактами все еще остается зазор. Это происходит из-за того, что дальнейший ход контактного рычага ограничивается магнитопроводом, повернутым ему навстречу. После этого удерживающий поток, ранее обозначенный как Ф, будет усиливаться, так как проходит через якорь, тем самым прочно удерживая его.

После этого кнопка "возврат защиты" отпускается, и практически вся система возвращается в исходное положение, кроме якоря, который остается плотно прижатым к полюсам. Магнитопровод будет отпущен, и начнет поворачиваться по часовой стрелке до тех пор, пока не замкнет главные контакты.

Быстродействующий выключатель БВП-5

Как и другие типы данного устройства, этот предназначается для разрыва цепи и ее защиты от КЗ. Что касается конструкции, то есть несколько основных частей: корпус, привод пневматического типа, КУ, удерживающее устройство электромагнитного типа, система гашения дуги, механизмы блокировки.

Прежде чем перейти к ремонту быстродействующего выключателя этого типа, необходимо полностью ослабить натяжение отключающих пружин. После этого можно перейти к съему пневматических пружин. После этого все подвижные части устройства будут освобождены от натяжения и их можно будет повернуть в любую сторону, удобную для ремонта.

Что касается поломок, то чаще всего это загрязнение мест соприкосновения якоря и магнитопровода, что устранить достаточно просто обычной очисткой. Иногда случается так, что происходит задевание рычага за стенки камеры гашения дуги.

Что касается ремонта самой дугогасительной камеры, то для этого обычно снимают деионные решетки, наружные стенки и ее внутренние перегородки. Решетка разбирается и тщательно очищается от нагара и окислов.

Быстродействующий выключатель электровоза

БВ отлично подходят для отключения тяговых двигателей при разнообразных их неисправностях. Они часто используются на электровозах. К примеру, на ЧС2 устанавливается такой тип БВ, как 12НС. Он имеется пневматический привод, а конструкция состоит из таких основных узлов, как несущая рама, отключающее реле автоматического контактного типа, устройство гашения дуги, пневмопривод, и блокировочные или же вспомогательные контакты.

Номинальное рабочее напряжение быстродействующего выключателя для электровоза такого типа - 3 кВ, а номинальный ток - 2 кА.