Рубильники, переключатели и предохранители. Исполнитель

Рубильники,  переключатели и предохранители.

                                                              План:

            1. Общие сведения.

            2. Конструкция рубильников.

            3.Пакетные выключатели и переключатели.

            4. Предохранители.

 {spoiler=Подробнее}

                                  1.Общие сведения.

         Рубильник предназначен для ручного включения и отключения цепей с постоянным напряжением до 440 В и переменным 500 В.

         Общий вид рубильника с центральной рукояткой изображен на рис. 1. Подвижный контакт – нож 1 вращается в шарнирной стойке 2. При вращении рукоятки по часовой стрелке между ножом и контактом неподвижной стойки 3 загорается дуга.

         Рубильники должны обеспечивать надежное отсоединение установки от напряжения с тем, чтобы можно было безопасно производить ее ремонт. Поэтому расстояние между контактными стойками берется не менее 0,05 м.

         На процесс гашения дуги оказывают влияние также тепловые потоки воздуха, создаваемые дугой. Гашение дуги получается более успешным в том случае, когда растяжение дуги за счет конвективного движения воздуха совпадает с направлением действия электродинамических сил (рубильник устанавливается так, чтобы кривизна дуги была обращена вверх).

         Рубильники и переключатели с центральной рукояткой (рис.1) разрешается применять только для отключения цепи без тока. Отключение цепей с током разрешается в том случае, когда дуга не может воздействовть на руку.

Рис.1.

         Критический ток рубильника меньше его номинального тока продолжительного режима. Для рубильников и переключателей с боковой рукояткой или с рычажным приводом отношение отключаемого тока к номинальному составляет 0,2 при постоянном напряжении 220 В и 0,3 для переменного напряжения 380 В. При постоянном напряжении 440 В и переменном 500 В указанные аппараты предназначены только для отключения обесточенных цепей.

         Для увеличения отключающей способности рубильник снабжается дугогасительной камерой в виде дугогасительной решетки.   

                                                    2.Конструкция рубильников.

         Рубильники выпускаются в одно-, двух- и трехполюсных исполнениях. На рис.2 изображен трехполюсный рубильник с центральным рычажным приводом и дугогасительной камерой. Ножи всех трех полюсов соединены изоляционным валиком, на который действует тяга рычажного привода. Рукоятка привода монтируется на лицевой стенке шкафа распредустройства, а сам рубильник располагается на стальных рейках внутри шкафа. Такая конструкция обеспечивает полную безопасность оператора.

         Качество рубильников и переключателей в значительной степени определяется работой контактного соединения между ножом и контактными стойками. В современных аппаратах преимущественное применение получил линейный контакт, который позволяет получить при одинаковой силе трения в контакте гораздо меньшее переходное сопротивление, чем плоский. Контактное нажатие должно производиться не за счет упругих свойств контактных стоек, а с помощью стальных пружин.

Рис.2 Рубильник с рычажным приводом и дугогасительной камерой

В рубильнике рис.1 нажатие в стойке 3 создается с помощью пружины в виде разрезанного кольца, концы которого действуют на эластичные губки. Нажатие губок в шарнирной стойке 2 осуществляется пружинами в виде выпуклых шайб 5. При токе, большем 100 А, устанавливается несколько параллельных контактных пар.

         Переключатель в отличие от рубильника имеет две системы неподвижных контактов и три коммутационных положения. В среднем положении ножей цепи разомкнуты. Специальное устройство фиксирует ножи в этом положении.

                               3.Пакетные выключатели и переключатели.

         Пакетные выключатели и переключатели являются многоступенчатыми аппаратами, предназначенными для нечастых коммутаций в цепях с небольшой мощностью. Пакетные переключатели применяются как аппараты распределительных устройств и в слаботочных цепях автоматики. Они используются также для пуска двигателей, реверса, переключения схемы соединения обмоток двигателя со звезды на треугольник. 

Рис.3. Пакетный выключатель серии ПВМ                                                                                                                                                                                                            

Выключатель ПВМ (рис. 3) состоит из отдельных связанных вместе пакетов 5 и приводного механизма 4. Пакет образует один полюс выключателя. Каждый полюс имеет два разрыва. Неподвижные контакты 1 выполнены в виде массивных пластин из латуни. Подвижный контакт 2 насажен на квадратный изолированный вал выключателя и имеет вращательное движение. Нажатие контактов создается за чет упругих свойств губок подвижного контакта 2.

К подвижному контакту прикреплены две щечки 3 из фибровых пластин. Расстояние между щечками немного больше толщины неподвижного контакта, что позволяет подвижному контакту свободно вращаться внутри пакета.

Движение подвижного контакта создается с помощью приводного механизма. При вращении рукоятки сначала заводится пружина, а затем эта пружина сообщает необходимую скорость контакту.

         При расхождении контактов дуга загорается в двух разрывах, что обеспечивает надежное гашение дуги переменного тока за счет околокатодной электрической прочности. Дуга гаснет при первом прохождении переменного тока через нуль.

         Гашение дуги постоянного тока обеспечивается благодаря тому, что образующаяся дуга горит в пространстве между фибровыми щечками. Дуга, соприкасаясь со стенками из фибры, выделяет газ. Поскольку внутренняя полость пакета достаточно герметична, внутри пакета повышается давление. Это ведет к подъему вольт-амперной характеристики и успешному гашению дуги.

         Пакетные выключатели и переключатели обладают большими преимуществами по сравнению с рубильниками. Они имеют малые габариты,0 удобны в монтаже. Дуга гасится в замкнутом объеме, без выброса пламени и газов. Контактная система позволяет управлять одновременно большим количеством цепей. Эти выключатели коммутируют номинальные токи. Имеют высокую вибро- и ударостойкость. 4. 4.  

                                              4.Предохранители

         Предохранители – это аппараты, защищающие установки от перегрузок и токов короткого замыкания.

         Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка ,включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.

         К предохранителям предъявляются следующие требования.

         1. Время-токовая характеристика предохранителя должна проходить ниже характеристики защищаемого объекта, причем возможно ближе к ней.

         2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно.

         3. Характеристики предохранителя должны быть стабильными. Разброс параметров из-за производственных отклонений не должен нарушать защитные свойства предохранителя.

         4. В связи с возросшей мощностью установок предохранители должны иметь высокую отключающую способность.

         5. Замена сгоревшего предохранителя или плавкой вставки не должна требовать много времени.

                       4.1. Нагрев плавкой вставки при длительной нагрузке.

Основной  характеристикой предохранителя является зависимость времени плавления вставки от протекающего тока.

При небольших перегрузках (1,5÷2)I_н нагрев предохранителя протекает медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде. Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавящего тока.

         Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным током I_погр.

         В связи с тем, что время плавления при  пограничном токе велико (более 1 ч) и температура плавления материалов вставки составляет много сотен градусов Цельсия, все детали предохранителя нагреваются до высоких температур.

         В связи с этим принимаются меры к снижению температуры плавления вставки, что наиболее просто достигается применением легкоплавких металлов, таких как свинец, цинк и сплавы.

         Применение легкоплавких металлов не дает удовлетворительного решения. В настоящее время широкое распространение получили медные и серебряные плавкие вставки с металлургическим эффектом.

         На тонкую проволоку наносится шарик олова. При нагреве вставки сначала плавится  олово, имеющее низкую температуру плавления (232°С). В месте контакта олова с медной проволокой начинается растворение меди и уменьшение сечения медной вставки. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока расплавится медная проволока в точке, где расположен оловянный шарик. Возникшая при этом дуга расплавляет проволоку на всей длине. Применение оловянного шарика снижает среднюю температуру вставки в момент плавления до 280°С.

         Стабильность время-токовой характеристики в значительной степени зависит от окисления плавкой вставки.

         У легкоплавких материалов эксплуатационная температура ближе к температуре плавления. То же можно сказать про вставки, использующие металлургический эффект.          Применение легкоплавких металлов и металлургического эффекта позволяет снизить это отношение до 1,2 – 1,4.

         Время-токовые характеристики со вставкой постоянного сечения из легкоплавкого металла довольно хорошо согласуются с характеристикой силового трансформатора и других подобных объектов. Это объясняется низкой температурой плавления, стойкостью против коррозии и малой теплопроводностью материала вставки.

                   4.2.Нагрев плавкой вставки при коротком замыкании.

         Если ток, проходящий через вставку, в 36 – 4 раза больше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т.е. все тепло, выделяемое плавкой вставкой, идет на ее нагрев.

         Время нагрева вставки до температуры плавления равно:  t_пл = A= A ∕

где А - постоянная, определяемая только свойствами материала и от размера вставки не зависящая;

      q – поперечное сечение вставки;

      I _к – ток;

      - плотность тока во вставке.

         После того, как температура плавкой вставки достигла температуры плавления, для перехода вставки из твердого состояния в жидкое ей необходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

         По мере того, как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится. Время перехода из твердого состояния в жидкое :

t_перех=A˝.

где   - удельное сопротивление материала при температуре плавления;

         - удельное сопротивление жидкого металла;

         - плотность;

        L – скрытая теплота плавления на единицу массы.

         Время дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем равно:              t_р = t_пл + t_перех + t_дуги.

         Для  предохранителя со вставкой на воздухе это время можно подсчитать по фомуле:

t_р =  

         Таким образом, предохранитель может отключить поврежденную цепь с токоограничением. При этом облегчаются условия гашения дуги для самого предохранителя, так как отключается не установившейся ток короткого замыкания, а ток, определяемый временем плавления вставки.

         С током номинального тока возрастает, естественно, и минимальное сечение вставки, которое должно пропустить этот ток. Увеличение этого сечения приводит к возрастанию длительности плавления вставки и уменьшению эффекта токоограничения. Хороший отвод тепла от вставки при номинальном режиме позволяет выбрать уменьшенное сечение вставки и повысить эффект токоограниченгия.

                     4.3.Конструкция предохранителей низкого напряжения.

         а)Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Предохранитель типа ПР-2 изображен на рис 1. Плавкая вставка

3 изготавливается из цинка путем штамповки. Применение легкоплавкого материала – цинка, стойкого против коррозии, и выбранная форма вставки позволяют получить благоприятную защитную характеристику. Плавкая вставка 3 присоединяется к ножевидным контактам 5 с помощью болтов с шайбами.

         Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 1, латунной обоймы 2 и латунного колпачка 4. Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию контактной системы (рис.1, а).

Рис. 1. Предохранитель типа ПР-2.       

Процесс гашения дуги происходит следующим образом. При отключении сгорают суженые сечения плавкой вставки и возникает дуга. Под действием высокой температуры дуги стенки патрона, выполненные из фибры, выделяют газ, в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4 – 8 МПа. За счет увеличения давления поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способствует ее быстрому гашению.

         б)Предохранители с мелкозернистым наполнителем. Эти предохранители обладают более совершенными характеристиками, чем предохранители ПР-2. Разрез такого предохранителя типа ПН-2 показан на рис.2.

Рис. 2 Предохранитель типа ПН-2.

         Корпус предохранителя 1 изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки 2 и наполнитель – кварцевый песок 3. Снаружи корпус имеет форму квадрата. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с ножевым контактом 9. Пластины 5 закрепляются на корпусе с помощью винтов, которые ввинчиваются в отверстия с резьбой.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1 – 0,2 мм. Для получения эффекта токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Разбивка плавкой вставки на несколько параллельных ветвей – ленточек позволяет более полно использовать объем наполнителя.

         Для снижения температуры плавления вставки на суженные участки наносятся оловянные шарики 7.

         При коротком замыкании вставка сгорает и образуется дуга, которая горит в канале, образованным песчинками. Кварцевые песчинки имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.

                                               4.4.Выбор предохранителей.

         а) Выбор по условиям длительной эксплуатации и условиям пуска. В процессе длительной эксплуатации температура нагрева предохранителя не должна превосходить допустимых для него значений. В этом случае обеспечивается стабильность характеристик предохранителя. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы патрон и плавкая вставка выбирались на номинальный ток, равный или несколько больший, чем номинальный ток установки.

         Предохранитель не должен отключать установку при перегрузках, которые являются эксплуатационными.

         Предохранитель должен не только выдерживать пусковые токи, но в нем не должно происходить старения плавкой вставки под действием этих токов. Экспериментально установлено, что старение плавкой вставки не происходит, если через протекает в течение данного времени ток, равный половине плавящего тока.

         Для тяжелых условий пуска, когда двигатель медленно разворачивается, или в повторно-кратковременном режиме, когда пуски происходят с большой частотой, вставки выбирают с еще большим запасом:  I_B = (0.5÷0.6)I_п. В случае, если предохранитель стоит на линии, питающей несколько двигателей, плавкую вставку рекомендуется выбирать по формуле

I_B = 0,4(I_p +Iп)

где I_p – расчетный номинальный ток линии;  

     I_п  -  пусковой ток одного двигателя.

         При выборе плавкой вставки всегда необходимо брать вставку наименьшего сечения, не дающую ложных отключений при эксплуатационных перегрузках и, с другой стороны, обеспечивающую безопасность работы обслуживающего персонала и пожаробезопасность.

         б) Выбор предохранителей по условию селективности отключения. Предохранитель должен отключать поврежденную линию по возможности селективно. Между источником энергии и потребителем обычно устанавливается несколько предохранителей (рис.3).

Рис.3. К расчету селективности предохранителей.  

Для того, чтобы обеспечить селективную работу предохранителей, полное время работы предохранителя 2 должно быть меньше времени нагрева предохранителя 1 до температуры плавления его вставки, т.е.            t_пл1 ≥ t_p2

         Условие селективности для предохранителей этого типа

>

         Необходимо отметить, что расчет, рассмотренный нами, носит приближенный характер, так как необходимо учитывать конкретные характеристики данной конструкции предохранителей и отклонение реальных характеристик от номинальных из-за производственных допусков.

                                  4.5.Высоковольтные предохранители.

         а) Назначение высоковольтных предохранителей и требования, предъявляемые к ним. Высоковольтные предохранители часто применяются для защиты трансформаторов напряжения от коротких замыканий. Нормальный ток, текущий через предохранитель, не превышает доли ампера. При повреждении трансформатора через предохранитель проходит ток короткого замыкания в сети. В предохранителях, предназначенных для работы с трансформатором напряжения, время плавления вставки равно 1 мин. при токе 1,25-2,5 А.

         В связи с высоким значением восстанавливающегося напряжения процесс гашения дуги утяжеляется. Это накладывает отпечаток на размеры и конструкцию высоковольтных предохранителей. Наибольшее распространение получили предохранители с мелкозернистым наполнителем и стреляющего типа.

                      б) Предохранители с мелкозернистым  наполнителем.

Разрезы двух типов предохранителей на напряжение 6-10 кВ приведены на рис.4, а. Фарфоровый цилиндр 1 с обеих сторон армирован латунными колпаками 2, которые являются контактами предохранителя. Песок 7 в предохранитель засыпается через отверстие в колпаке, которое после зарядки предохранителей закрывается крышкой 3, припаянной к колпачку. В предохранителе на небольшой ток (до 7,5 А) плавкая вставка 5 наматывается на керамический ребристый каркас 4. Этот каркас позволяет увеличить длину плавкой вставки, увеличить эффект токоограничения и, следовательно, повысить мощность отключения. Однако при перегрузках, меньших 3 I_н, возможно образование каналов из материала каркаса и расплавившейся проволоки, по которому проходит ток. В результате наступает тепловое разрушение предохранителя. Поэтому предохранитель с каркасом следует применять только для защиты от коротких замыканий.

         в) Стреляющие предохранители (ПСН). При напряжениях выше 35 кВ. для открытых установок наибольшее применение получили стреляющие предохранители. Основной частью предохранителя, изображенного на рис 5. является газогенерирующая трубка 1. Внутри трубки расположен гибкий проводник 2, который с одной стороны соединяется с плавкой вставкой 3, с другой – контактным наконечником, на которой действует рычаг, вращаемый пружиной.

         Вторым своим концом плавкая вставка присоединена к металлическому колпаку – контакту 5. Плавкая вставка состоит из двух релейных проволочек: стальной 3 и медной 6. Стальная воспринимает силу пружины которая стремится вытащить гибкий проводник из трубки. Основная часть тока проходит по медной проволоке, имеющей меньшее активное сопротивление.

         г) Выбор предохранителей. При определении номинального тока вставки необходимо исходить из условия максимально длительной перегрузки.

         Очень часто обмотка высшего напряжения силового трансформатора присоединяется через предохранитель. При передаче напряжения на трансформатор возникают пики намагничивающего тока. Выбор по номинальному току предохранитель должен быть проверен на прохождении начального намагничивающего тока при времени 1 с.

         В заключении необходимо проверить селективность работы предохранителя с выключателем.

{/spoilers}