: принцип действия и характеристики | Приборы

РЕКЛАМА:

В этой статье мы обсудим: 1. Значение автоматических выключателей 2. Принцип работы автоматических выключателей 3. Дуговые явления 4. Погасание дуги 5. Переключение сопротивления 6. Номинальные параметры.

Автоматические выключатели представляют собой механические устройства, предназначенные для замыкания или размыкания контактных элементов, тем самым замыкая или размыкая электрическую цепь в нормальных или ненормальных условиях.

Автоматические выключатели, которые обычно используются для защиты электрических цепей, оснащены отключающей катушкой, соединенной с реле или другими средствами, предназначенными для автоматического размыкания выключателя в ненормальных условиях, таких как перегрузка по току.

РЕКЛАМА:

Автоматические выключатели выполняют следующие функции:

(i) Он непрерывно пропускает ток полной нагрузки без перегрева или повреждения,

(ii) Размыкает и замыкает цепь без нагрузки,

(iii) Включает и отключает нормальный рабочий ток и

РЕКЛАМА:

(iv) Он включает и отключает токи короткого замыкания, до которых он рассчитан.

Автоматический выключатель удовлетворительно выполняет первые три функции, но при выполнении четвертой функции, т. е. при включении или отключении токов короткого замыкания, он подвергается механическим и термическим нагрузкам. Автоматические выключатели оцениваются по максимальному напряжению, количеству полюсов, частоте, максимальной длительной допустимой нагрузке по току, максимальной отключающей способности и максимальной мгновенной и 4-секундной допустимой нагрузке по току.

Отключающая или отключающая способность автоматического выключателя — это максимальное значение тока, которое может быть отключено им без каких-либо повреждений. Автоматические выключатели также рассчитаны на МВА, который является произведением тока отключения, номинального напряжения и 10 ^–6 .

Автоматический выключатель представляет собой коммутационное и токоотключающее устройство. Он состоит, по существу, из неподвижных и подвижных контактов, соприкасающихся друг с другом и проводящих ток при нормальных условиях, т. е. при включенном выключателе. Когда выключатель замкнут, токоведущие контакты, называемые электродами, входят в зацепление друг с другом под действием пружины.

ОБЪЯВЛЕНИЯ:

При нормальном рабочем состоянии автоматический выключатель может быть разомкнут или замкнут оператором станции для переключения и обслуживания. Для размыкания выключателя требуется лишь небольшое нажатие на спусковой крючок. Всякий раз, когда в какой-либо части энергосистемы возникает неисправность, отключающие катушки выключателя получают питание, а подвижные контакты разъединяются каким-либо механизмом, тем самым размыкая цепь.

Разъединение токоведущих контактов приводит к возникновению дуги. Таким образом, ток может продолжаться до тех пор, пока не прекратится разряд. Возникновение дуги не только задерживает текущий процесс отключения, но также генерирует огромное количество тепла, которое может привести к повреждению системы или самого выключателя. Поэтому основная задача автоматического выключателя — погасить дугу в кратчайшие сроки, чтобы выделяемое им тепло не достигло опасного значения.

Базовая конструкция автоматического выключателя требует разделения контактов в изолирующей жидкости, которая выполняет две функции:

1. Гасит дугу, возникающую между контактами при размыкании выключателя.

РЕКЛАМА:

2. Обеспечивает изоляцию между контактами и от каждого контакта к земле.

Для этой цели обычно используются следующие изоляционные жидкости:

я. Воздух при атмосферном давлении.

ii. Сжатый воздух.

РЕКЛАМА:

III. Нефть, производящая водород для гашения дуги.

ив. Сверхвысокий вакуум.

v. Гексафторид серы (SF ₆ ).

Жидкости, используемые в автоматических выключателях, должны обладать свойствами высокой диэлектрической прочности, негорючести, высокой термической стабильности, способности гашения дуги, химической стабильности и коммерческой доступности по умеренной цене.

Из простых газов воздух является самым дешевым и наиболее широко используемым для отключения цепи. Водород лучше гасит дугу, но имеет меньшую диэлектрическую прочность по сравнению с воздухом. Также, если водород загрязнен воздухом, он образует взрывоопасную смесь. Азот имеет те же свойства, что и воздух. СО ₂ имеет почти такую ​​же диэлектрическую прочность, как воздух, но является лучшей средой для гашения дуги при умеренных токах. Кислород является хорошей огнегасящей средой, но химически активен. SF ₆ обладает превосходными дугогасящими свойствами и хорошей диэлектрической прочностью. Из всех этих газов SF ₆ и воздух используются в промышленных газовых выключателях.

Дуга состоит из столба ионизированного газа, молекулы которого потеряли один или несколько электронов. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительному контакту (т. е. к аноду) с большой скоростью и по пути отрывают от удара больше электронов. Положительные ионы притягиваются к отрицательному контакту (то есть к катоду), но поскольку они составляют почти весь вес атома, они движутся к нему относительно медленно. Таким образом, ток возникает за счет движения электронов.

Зажигание дуги :

Для возникновения дуги необходимо, чтобы электроны вылетели из катода, как только контакты начнут размыкаться при возникновении неисправности.

Считается, что инициирующие электроны образуются в результате следующих двух процессов:

(i) Градиентом высокого напряжения на катоде, приводящим к полевой эмиссии:

При вытягивании подвижного контакта площадь контакта и давление между разъединяющими контактами уменьшается, а за счет уменьшения площади контакта сопротивление увеличивается (но все равно намного меньше Ома). Хотя контактное сопротивление довольно мало, но из-за большой величины тока короткого замыкания достаточно большое падение потенциала, порядка 10 ⁶ В/см, возникает между разделяющими контактами, чтобы вытеснить электроны с поверхности катода.

(ii) Повышением температуры в результате термоэлектронной эмиссии:

При размыкании контактов уменьшение площади контакта вызывает увеличение плотности тока до очень высоких значений, порядка 10 ⁶ А/см ² . Эти очень высокие плотности тока повышают температуру поверхности контакта (катода), что приводит к тепловому излучению.

В автоматических выключателях используются контакты, как правило, из меди, термоэлектронная эмиссия из такого металла довольно низка, поэтому за инициирование дуги в основном отвечает автоэмиссия.

Техническое обслуживание дуги :

Электроны, испускаемые таким образом из катода, совершают много столкновений с атомами и молекулами газов и паров, существующих между двумя контактами, во время своего движения к аноду. Такие столкновения вызывают ионизацию атомов и молекул, тем самым выбивая больше электронов.

Ионизации дополнительно способствуют:

(i) Высокая температура среды вокруг контактов, вызванная высокой плотностью тока, при высокой температуре кинетическая энергия, приобретаемая движущимися электронами, увеличивается.

(ii) Напряженность поля или градиент напряжения, которые увеличивают кинетическую энергию движущихся электронов и повышают вероятность отрыва электронов от нейтральных молекул.

(iii) Увеличение длины свободного пробега — расстояния, на которое свободно перемещается электрон. По мере того, как контакты раздвигаются, средний путь увеличивается и количество нейтральных молекул увеличивается, а также увеличение среднего пути уменьшает плотность газа, что еще больше увеличивает свободное движение электронов.

Все вышеперечисленные три процесса (термоэмиссии, ионизации и автоэлектронной эмиссии) могут начинаться либо один за другим, либо почти одновременно, что позволяет инициировать и поддерживать дугу, и, наконец, если ток дуги высок, дуга может достигать высокой температуры. достаточно для того, чтобы термическая ионизация стала основным источником электропроводности.

Напряжение дуги :

При размыкании контактов выключателя образуется дуга. Напряжение, которое появляется на контактах автоматического выключателя, называется напряжением дуги.

При умеренных значениях тока и напряжения характеристика дуги может быть выражена уравнением Айртона –

e _a = A + B/i _a …(6.1)

Таким образом, с увеличением тока дуги напряжение падает по гиперболе. Константы A и B изменяются линейно с длиной дуги l

А = α + ϒl

и B = β + δl …(6.2)

Средние значения α, ϒ, β и δ для дуг в воздухе между медными электродами следующие –

α = 30 В; ϒ = 10 В/см; β = 10 ВА; δ = 30 ВА/см

Сверху уравнение Из уравнения (6.1) видно, что вольт-амперная характеристика напряжения дуги отрицательна, т. е. напряжение дуги высокое при малом токе дуги и наоборот. Это, конечно, хорошо известное свойство дуг.

На рис. 6.1 показаны характеристики переменного тока и напряжения во времени. Из рис. 6.1 видно, что напряжение дуги практически постоянно в то время, когда ток близок к своим максимальным значениям. При нулевом токе напряжение дуги быстро возрастает до пикового значения, и это пиковое значение имеет тенденцию поддерживать протекание тока в форме дуги.

Напряжение на дуге совпадает по фазе с током дуги, так как ток дуги является преимущественно резистивным. Величина дугового напряжения увеличивается в каждой последующей токовой петле. Это связано с тем, что предполагается, что контакты автоматического выключателя размыкаются, что увеличивает длину дуги и, следовательно, напряжение дуги.

При размыкании токоведущих контактов выключателя образуется дуга, которая сохраняется в течение короткого времени после размыкания контактов. Дуга обеспечивает постепенный переход из токоведущего в напряжениеизолирующее состояния контактов, но опасна из-за выделяемой в ней энергии в виде тепла, что может привести к взрывной силе.

Автоматический выключатель должен быть способен гасить дугу, не вызывая повреждения оборудования или опасности для персонала. Дуга играет жизненно важную роль в поведении автоматического выключателя. Прерывание дуги постоянного тока относительно сложнее, чем дуги переменного тока. В дугах переменного тока, когда ток становится равным нулю во время регулярной волны, дуга исчезает и предотвращается ее повторное зажигание.

Прежде чем обсуждать методы гашения дуги, необходимо изучить факторы, ответственные за поддержание дуги между контактами.

Это:

(i) Разность потенциалов между контактами и

(ii) Ионизированные частицы между контактами.

Падение потенциала между размыкающими контактами достаточно для поддержания дуги и очень мало. Одним из способов погасить дугу является разделение контактов на такое расстояние, при котором падение потенциала становится недостаточным для поддержания дуги. Однако этот метод неприменим в системах высокого напряжения, где для этой цели потребуется разделение многих счетчиков.

Проводимость дуги пропорциональна количеству электронов на кубический сантиметр, образующихся в результате ионизации, квадрату диаметра дуги и обратной величине длины. Мы мало что можем сделать, увеличив длину дуги до любого разумного значения. Что можно сделать, так это уменьшить плотность свободных электронов, т. е. уменьшить ионизацию, и уменьшить диаметр дуги. Гашение дуги, таким образом, может быть облегчено за счет деионизации пути дуги. Этого можно добиться охлаждением дуги или удалением ионизированных частиц из пространства между контактами выключателя.

Преднамеренное подключение сопротивления параллельно контактному пространству (или дуге) называется переключением сопротивления. Коммутация сопротивления применяется в автоматических выключателях с высоким посленулевым сопротивлением контактного пространства (т.

Сильные колебания напряжения происходят из-за:

(i) Отключение малых индуктивных токов (т. е. прерывание тока) и

(ii) Отключение емкостных токов.

Это может поставить под угрозу работу системы. Этого можно избежать, используя коммутацию сопротивления (путем подключения резистора к контактам автоматического выключателя).

При возникновении неисправности контакты автоматического выключателя размыкаются и между контактами возникает дуга. При шунтировании дуги сопротивлением R часть тока дуги отводится через это сопротивление. Это приводит к уменьшению тока дуги и увеличению скорости деионизации пути дуги. Таким образом, сопротивление дуги увеличивается, что приводит к дальнейшему увеличению тока через шунтирующее сопротивление R. Этот процесс нарастания продолжается до тех пор, пока ток не станет настолько мал, что не сможет поддерживать дугу. Теперь дуга гаснет, и ток в цепи прерывается.

В качестве альтернативы, сопротивление может включаться автоматически путем передачи дуги от главных контактов к контакту зонда, как в случае осевого дутьевого выключателя, время, необходимое для этого действия, очень мало (обычно менее половины -цикл текущей волны). Заменив дуговой путь металлическим, ток, протекающий через сопротивление, будет ограничен, а затем легко прерван.

показаны на рис. 6.18. На рис. 6.18 (а) предусмотрен второй разрыв для отключения тока резистора. На рис. 6.18 (б) зазоры расположены так, что подвижный контакт окончательно разрывает резистивные элементы. На рис. 6.18 (в) дуга сначала возникает на неподвижных и подвижных контактах F и M, затем передается на неподвижные и щуповые контакты F и P и там же прерывается.

Шунтирующий резистор также помогает ограничить колебательный рост переходных процессов напряжения повторного включения. Математически можно доказать, что собственная частота колебаний контура, показанного на рис. 6.17(а), равна –

Действие шунтирующего резистора R заключается в предотвращении колебательного роста напряжения повторного пробоя и вызывает его экспоненциальный рост вплоть до напряжения восстановления. Это наиболее эффективно, когда значение R выбрано таким образом, что цепь имеет критическое демпфирование. Значение R, необходимое для критического демпфирования, равно 0,5. √Л/К. Рис. 6.17 (b) показывает колебательный рост и экспоненциальный рост, когда цепь критически затухает.

Подводя итог, можно сказать, что резисторы на контактах выключателя могут использоваться для выполнения любой из следующих функций:

1. Уменьшает RRRV и, таким образом, снижает нагрузку на автоматический выключатель.

2. Обеспечивает гашение высокочастотных переходных процессов повторного включения напряжения при отключении индуктивных или емкостных нагрузок.

3. В многоразмыкающем автоматическом выключателе помогает более равномерно распределять переходное восстанавливающееся напряжение по всем контактным зазорам.

Используемые резисторы могут быть либо нелинейными, либо проволочными. Нелинейные резисторы подходят как из соображений пространства, так и из соображений надежности для малых шунтирующих токов, тогда как резисторы с проволочной обмоткой, как правило, менее удовлетворительны с точки зрения механических соображений. Там, где задействованы большие токи, могут возникнуть трудности с размещением относительно большого объема требуемого материала резистора.

Нелинейные резисторы не подходят для модификации RRRV и пикового напряжения, как линейные резисторы, но они особенно подходят для приложений выравнивания напряжения и подавления перенапряжения, в которых относительно малые токи порядка 1-10 А при нормальном пиковом напряжении являются адекватными.

В масляных выключателях с плоским размыканием (бакового типа) занулевое сопротивление контактного пространства низкое. Следовательно, переключение сопротивления не обязательно требуется. Однако характеристики при малых токах можно улучшить, используя коммутацию сопротивления, и она иногда используется; при прерывании малого тока значение реактивного сопротивления в цепи будет иметь тенденцию быть настолько высоким, что индуктивность L в выражении для критического сопротивления будет больше, что приведет к резисторам порядка тысяч ом.

Высокое посленулевое сопротивление воздушно-духового выключателя. Это может привести к серьезным скачкам напряжения из-за прерывания тока. Следовательно, используется коммутация сопротивления. Вспомогательные контакты здесь заменены размыкающими контактами, входящими в состав воздушных автоматических выключателей.

Рейтинг автоматического выключателя дается в соответствии с функциями, которые он выполняет. Для полных спецификаций, стандартных номиналов и различных испытаний выключателей и автоматических выключателей IS 375/1951 можно проконсультироваться.

Помимо нормальной работы автоматических выключателей, автоматический выключатель должен выполнять следующие три основные функции в условиях короткого замыкания:

1. Автоматический выключатель должен быть в состоянии разорвать цепь и изолировать неисправный участок в случае неисправности. Это описывается как отключающая способность автоматического выключателя.

2. Поскольку на практике автоматический выключатель включается 2-3 раза, чтобы обеспечить постоянство неисправности, т. е. он должен быть способен замыкать цепь при наибольшем несимметричном пике волны тока. Имеется в виду включающая способность автоматического выключателя.

3. Когда автоматический выключатель работает совместно с другими автоматическими выключателями и в случае неисправности на какой-либо одной секции выключатели в исправных секциях не должны срабатывать, т. е. цепь должна быть способна безопасно проводить токи короткого замыкания в течение короткого времени. в то время как другой автоматический выключатель (последовательно) устраняет неисправность. Это относится к кратковременной мощности автоматического выключателя.

В дополнение к приведенным выше номиналам, автоматический выключатель должен быть определен с точки зрения (i) количества полюсов, (ii) номинального напряжения, (iii) номинального тока, (iv) номинальной частоты и (v) рабочего режима. Количество полюсов на фазу выключателя зависит от рабочего напряжения.

Номинальное напряжение:

При нормальных условиях эксплуатации напряжение в любой точке энергосистемы непостоянно. Благодаря этому производитель гарантирует безукоризненную работу выключателя при номинальном максимальном напряжении, которое, как правило, выше номинального напряжения.

Номинальное максимальное напряжение автоматического выключателя — это самое высокое среднеквадратичное напряжение, превышающее номинальное напряжение системы, на которое рассчитан автоматический выключатель, и является верхним пределом для работы. Прежняя практика указания номинального напряжения автоматического выключателя в качестве номинального напряжения системы больше не используется. Номинальное напряжение выражается в кВ _rms и относятся к междуфазному напряжению для трехфазной цепи.

я. Номинальный ток:

Номинальный нормальный ток автоматического выключателя представляет собой среднеквадратичное значение тока, который автоматический выключатель должен непрерывно выдерживать при номинальной частоте и номинальном напряжении в определенных условиях. В определенных условиях важным является повышение температуры различных компонентов автоматического выключателя при нормальных нагрузках. Важным условием нормальной работы масляного выключателя является температура масла не более 40°С, а контактов не более 35°С.

ii. Номинальная частота:

Номинальная частота автоматического выключателя — это частота, на которую он рассчитан. Стандартная частота 50 Гц. Применение на других частотах требует особого рассмотрения.

iii. Рабочая обязанность:

Рабочий режим автоматического выключателя состоит из предписанного количества единичных операций с установленными интервалами.

Последовательность операций обозначает последовательность операций отключения и включения, которую автоматический выключатель может выполнять при определенных условиях.

Отключающая способность:

Этот термин выражает максимальное среднеквадратичное значение тока короткого замыкания, которое автоматический выключатель способен отключить при определенных условиях переходного восстанавливающегося напряжения и напряжения промышленной частоты. Он выражается в кА, среднеквадратичное значение при размыкании контактов.

Из кривой тока короткого замыкания, показанной на рис. 6.19, видно, что среднеквадратичное значение тока изменяется со временем из-за наличия постоянной составляющей тока, которая со временем затухает.

Известно, что в определенной фазе ток максимален в момент замыкания, после чего ток спадает. Кроме того, из-за времени релейной защиты выключатель начинает размыкать свои дугогасительные контакты только через некоторое время после возникновения короткого замыкания. Следовательно, фактический ток, отключаемый выключателем, меньше начального значения тока короткого замыкания I ₁ .

Пусть в момент размыкания контактов.

Переменная составляющая тока короткого замыкания, I _ac = x

Постоянная составляющая тока короткого замыкания, I _dc = y

Теперь симметричный ток отключения –

= среднеквадратичное значение переменной составляющей тока короткого замыкания в момент разъединения контактов

= х/√2 … (6.19)

Асимметричный ток отключения –  

= Среднеквадратичное значение объединенных сумм компонентов переменного и постоянного тока

Теперь по этим двум значениям отключающих токов находятся два соответствующих значения отключающих способностей. Обычно отключающая способность автоматического выключателя в МВА определяется как √3 x номинальное напряжение в кВ x номинальный ток отключения в кА.

Такая практика указания отключающей способности в единицах МВА удобна при определении уровня повреждения. Однако согласно пересмотренным стандартам отключающая способность выражается в кА для заданных условий TRV, и этот метод учитывает как ток отключения, так и TRV.

Две отключающие способности теперь можно определить следующим образом:

(i) Симметричная отключающая способность автоматического выключателя представляет собой значение симметричного отключающего тока, который автоматический выключатель способен отключать при установленном восстанавливающемся напряжении и установленном контрольном напряжении повторного включения в предписанных условиях.

(ii) Асимметричная отключающая способность автоматического выключателя представляет собой значение асимметричного отключающего тока, который автоматический выключатель способен отключить при установленном восстанавливающемся напряжении и установленном эталонном напряжении повторного включения в предписанных условиях.

Производительность:

Всегда существует вероятность того, что автоматический выключатель замкнут из-за короткого замыкания. Включающая способность автоматического выключателя зависит от его способности противостоять воздействию электромагнитных сил, которые пропорциональны квадрату пикового значения тока включения. Ток включения автоматического выключателя при включении на короткое замыкание представляет собой пиковое значение максимальной волны тока (включая постоянную составляющую) в первом периоде тока после замыкания цепи автоматическим выключателем.

Для определения тока включения автоматического выключателя мы должны умножить симметричный ток отключения на √2, чтобы преобразовать среднеквадратичное значение в пиковое значение, а затем на 1,8, чтобы учесть «удвоенный эффект» максимальной асимметрии.

Таким образом, номинальный ток включения = 1,8 x √2 номинального тока отключения при коротком замыкании

= 2,55 номинального тока отключения при коротком замыкании

или Включающая способность = 2,55 x симметричная отключающая способность …(6. 21)

Кратковременный ток:

иногда требуется автоматический выключатель для пропуска тока короткого замыкания в течение коротких промежутков времени без срабатывания. Это происходит в случае мгновенных неисправностей, таких как сбой на линиях передачи, и неисправность автоматически сбрасывается и сохраняется только в течение 1 или 2 секунд. По этой причине автоматические выключатели рассчитаны на кратковременное срабатывание и срабатывают только в том случае, если неисправность сохраняется в течение времени, превышающего указанный предел времени.

Кратковременный ток автоматического выключателя — это среднеквадратичное значение тока, который автоматический выключатель может пропускать в полностью замкнутом положении без повреждений в течение заданного интервала времени при заданных условиях. Обычно он выражается в кА за период в 1 секунду или 4 секунды, известный как односекундный и четырехсекундный рейтинг соответственно. Эти рейтинги основаны на тепловых ограничениях.