Глава XIX
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 83. Общие сведения
Выключатели постоянного тока являются основными аппаратами распределительного устройства постоянного тока.
Выключатели постоянного тока классифицируют следующим образом: по направленности действия — поляризованные, автоматически отключающиеся при определенном направлении главного тока, и неполяризованные; по конструкции главных контактов — с замыкающими и размыкающими контактами; по скорости отключения — быстродействующие и небыстродействующие; по месту установки — линейные, катодные, анодные.
Линейные выключатели употребляются для защиты питающих линий постоянного тока от перегрузки и коротких замыканий. Они могут быть неполяризованными.
Катодные и анодные выключатели применяются для защиты выпрямителей от обратных токов при коротком замыкании в выпрямителе. Эти выключатели должны быть обязательно быстродействующими и поляризованными.
Специфической особенностью работы выключателей в цепях постоянного тока является то, что ток короткого замыкания в отличие от цепей переменного тока непрерывно возрастает, стремясь к установившемуся значению. Поэтому быстродействующие выключатели являются токоограничивающими и размыкают меньший ток к. з., чем небыстродействующие.
Характеристика выключателей постоянного тока в отношении скорости отключения ими токов к. з. приведена на осциллограммах рис. 83-1. Характеристика работы быстродействующего выключателя с токоограничением представлена здесь кривой i', а небыстродействующего — кривой i" . Время t0 зависит от уставки выключателя I ст и параметров электрической цепи (R, L, С). Это время будет одним и тем же для любых типов применяемых выключателей. Время t1 —собственное время отключения выключателя — характеризует скорость работы выключателя. Оно протекает от момента достижения током величины Zyст до начала расхождения главных контактов выключателя.
Это время в основном и отличает быстродействующие выключатели от небыстродействующих, так как у первых оно измеряется тысячными, а у вторых десятыми долями секунды.
Время токоограничения характеризуется отрезком t2 на оси абсцисс. Это время отсчитывается от момента расхождения контактов до момента достижения максимального тока в цепи. Наконец, время гашения дуги характеризуется отрезком t3. Оно зависит от применяемых средств дугогашения и, чтобы устранить перенапряжения, не должно быть слишком малым.
Соответствующие параметры, характеризующие работу небыстродействующего выключателя, обозначены на рис. 83-1 двумя штрихами.
Как видно из рассмотренных осциллограмм, на полное время отключения (t1'; t1") в основном влияет собственное время отключения выключателя (t1'; t1"), которое зависит от механизма отключения выключателя.
Выключатели небыстродействующие, как правило, имеют удерживающую защелку, воздействие на которую требует значительного времени.
В быстродействующих выключателях сокращение собственного времени отключения достигается тем, что отключение происходит от изменения магнитных потоков в ярме.
Время токоограничения в выключателях (t2) зависит от устройства магнитного дутья, а время горения дуги — от способа ее деионизации, т. е. от конструкции камеры дугогашения.
Поскольку интенсивность магнитного дутья пропорциональна квадрату тока, то большие токи отключаются хорошо, а малые токи выключатель гасит хуже.
Примерная осциллограмма отключения токов к. з. и токов перегрузки быстродействующим выключателем приведена на рис. 83-2, а, б.
Вторым важным фактором в работе выключателя является перенапряжение при отключении коротких замыканий. Это перенапряжение зависит от скорости спада тока
, от величины отключаемого тока и от наличия индуктивности в цепи отключаемого тока.
Характер изменения напряжения между контактами выключателя при его отключении приведен на рис. 83-2.
Рис. 83-2. Образец осциллограммы отключения тока выключателем типа ВАБ-20:
а — отключение тока к. з.; б — отключение перегрузки
При отключении короткого замыкания в линии перенапряжения возникают между концами вторичных обмоток трансформатора и в индуктивности линии (кабели и контактная сеть). Перенапряжения между размыкающими контактами выключателя будут суммироваться.
Все рассмотренные далее типы отечественных быстродействующих выключателей разработаны на заводе «Уралэлектроаппарат» под руководством А. И. Голубева.
§ 84. Выключатели ВАБ-2, АБ-2 4, ВАБ-43
Рис. 84-1. Электромагнитная система выключателей ВАБ-2
Выключатель типа ВАБ-2 (выключатель автоматический быстродействующий) является первым отечественным быстродействующим универсальным выключателем, так как он поляризованный и имеет регулировку тока уставки в сравнительно широких пределах.
На тяговых подстанциях эти выключатели применяют для защиты выпрямителей от постоянной слагающей тока к. з. при обратных зажиганиях и для защиты питающих линий от токов к. з. и перегрузок.
Электромагнитная система этого выключателя изображена на рис. 84-1. На основании электромагнита 10 укрепляются круглый сердечник держащей катушки 9 и сердечник главной катушки 1. К сердечнику 9 крепится магнитный брус 8, с левой стороны которого находится якорь 6, вращающийся вокруг оси О.
Держащая катушка выключателя питается от шин собственных нужд постоянного тока, а по главной катушке протекает ток нагрузки. В зависимости от назначения выключателя этим таком является ток линии или выпрямителя.
Во включенном положении выключателя, показанном на рис. 84-1, пружина 5 растянута, а якорь 6 удерживается магнитным потоком удерживающей катушки 7.
Если направление тока в главной катушке 3 будет таким, как показано на рис. 84-1, то магнитные потоки от главной и держащей катушки в стыке между якорем и сердечником будут встречными, сила притяжения якоря от магнитных потоков уменьшается, вследствие чего под действием пружины 5 якорь начнет поворачиваться вокруг оси О. Скорость движения якоря определится не столько силой пружины, сколько тем, что в левой части сердечника результирующий поток падает, а в правой части — возрастает.
Для увеличения скорости перемагничивания сердечник 1 выполняется из листовой легированной стали.
Рис. 84-2. Электромагнитный механизм быстродействующего выключателя типа ВАБ-2:
1 — катушка главного тока; 2— вывод; 3 — сердечник главной катушки; 4 — якорь; 5 — регулировочный винт; — рейка; 7 — cкоба; 8 — щеки якоря; 9 — ось якоря; 10 — неподвижный контакт; 11 — подвижный контакт; 12 — контактный рычаг; 13 — ось контактного рычага; 14 — ролик; 15 — стопорный рычаг; 16 — ось стопорного рычага; 17 — главные пружины; 18 — верхний брусок электромагнита; 19 — тяга; 20 — якорек магнитной защелки; 21 — включающая катушка; 22 — сердечник удерживающей катушки; 23 — держащая катушка; 24 — основание электромагнита
Уставка тока отключения может производиться изменением тока держащей катушки и изменением зазора δ при помощи регулировочного винта 4, С уменьшением зазора δ магнитный поток от главной катушки возрастает, следовательно, отключение произойдет при меньшем токе в главной катушке.
Выключатель включается путем подачи постоянного тока на включающую катушку 2. При этом полярность катушек должна быть такой, чтобы с левой стороны якоря магнитные потоки держащей и выключающей катушек вычитались, а с правой стороны — складывались.
Электромагнитный механизм выключателя типа ВАБ-2 изображен на рис. 84-2. Для свободного расцепления якорь 4 с контактным рычагом 12 имеет шарнирное соединение. При включении включающей катушки якорь магнитной защелки 20 притягивается к сердечнику 3 и через тягу 19 удерживает стопорный рычаг 15 в нижнем положении. В этом случае, хотя якорь 4 и перекидывается во включенное положение, главные контакты остаются разомкнутыми, так как контактный рычаг 12 не может повернуться вокруг своей оси 13. Замыкание главного контакта происходит лишь после того, как будет обесточена включающая катушка.
Рис. 84-3. Принципиальная схема управления выключателем ВАБ-2
Принципиальная схема управления выключателем типа ВАБ-2 изображена на рис. 84-3. При нажатии кнопки включения В сначала включается контактор К и своим контактом включает включающую катушку KВ. Когда якорь выключателя перейдет во включенное положение, блок- контактом выключателя БК шунтируется катушка контактора, ток в цепи реле блокировки РБ возрастает и реле включается.
После этого, независимо от включенного или отключенного положения выключателя, катушка контактора будет шунтироваться в течение всего времени, пока замкнута кнопка В. При наличии такой блокировки при каждом нажатии кнопки включения схема обеспечивает однократное включение выключателя, а включающая катушка выключателя находится под током минимально необходимое время.
Отключение выключателя осуществляется кнопкой О путем шунтирования держащей катушки.
Мощность катушек выключателя составляет около 55 Вт для держащей катушки и 8800 Вт для включающей.
Быстрое действие выключателей достигается не только мгновенным размыканием главных контактов, но и быстрым гашением дуги, возникшей между главными контактами.
В выключателях типа ВАБ-2 дугогашение осуществляется при помощи камер с узкой щелью и сильного магнитного поля, создаваемого катушками магнитного дутья. Дугогасительная камера представляет собой плоскую коробку из асбоцемента
с двумя внутренними продольными перегородками. Скорость гашения дуги в таких камерах достигает 0,01 сек. Полное время отключения тока выключателем зависит от тока отключения и находится в пределах 0,02—0,05 сек, меньшее время соответствует большему току отключения.
Выключатели ВАБ-2 выпускаются на номинальные токи 600, 1000, 2000 и 3000 а и на напряжение 600, 1500 и 3000 в.
Общий вид и габариты выключателя типа ВАБ-2 на напряжение 600 в изображены на рис. 84-4.
Рис. 84-4. Общий вид выключателя типа ВАБ-2 на 600 в, 2000 а
Выключатель типа АБ-2/4 по своему принципу действия и устройству подобен выключателю ВАБ-2. Поскольку этот выключатель рассчитан на напряжение 4000 в при номинальном токе 2000 а, то от выключателя ВАБ-2 он отличается конструкцией магнитного дутья и устройством камеры гашения.
Узел магнитного дутья выполнен с сильно развернутыми полюсами, концентрирующими магнитный поток в зоне размыкания контактов. Усиленное магнитное дутье в сочетании с лабиринтной щелевой камерой обеспечивает хорошее гашение дуги.
Выключатели типа ВАБ-43 отличаются по устройству от выключателя ВАБ-2 тем, что вместо сердечника с держащей катушкой применен постоянный магнит. Таким образом, выключатель ВАБ-43 не требует аккумуляторной батареи для питания держащей катушки. Дистанционное включение и автоматическое отключение выключателя ВАБ-43 происходит аналогично выключателю ВАБ-2, а дистанционное отключение осуществляется путем подачи импульса обратного тока в цепь включающей катушки.
Первоначально выключатель ВАБ-43 выпускался в комплекте из шести штук и такой комплект предназначался в качестве анодных выключателей. В настоящее время эти выключатели выпускаются одиночными на 600 в, 2000 а.