Pk-vtk.ru

Электро освещение
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство и классификация автоматических выключателей

Устройство и классификация автоматических выключателей

Предохранитель – это электрический прибор, обеспечивающий защиту электросети от аварийных ситуаций, связанных с выходом текущих параметров (тока, напряжения) за заданные рамки. Простейший предохранитель – плавкая вставка.

Это прибор, включенный в защищаемую цепь последовательно. Как только ток в цепи превышает заданный, проволочка плавится, контакт размыкается, и защищаемый участок цепи таким образом остается неповреждённым. Недостаток такого способа защиты – одноразовость защитного прибора. Сгорел – надо менять.

Строение и принцип работы трехполюсного автомата

Автоматический выключатель на 3 полюса состоит из 3 однополюсных устройств, помещенных в один корпус и имеющих общий рычаг включения. Внутри устройства защиты имеется электромагнитный и тепловой расцепители.

Внутреннее устройство

Электромагнитный расцепитель мгновенно срабатывает на токи короткого замыкания. По принципу действия он напоминает обычный электромагнит. Если через автомат протекает ток КЗ, то электромагнитный расцепитель притягивает якорь и приводит в движение механику автомата. Она и размыкает контакты силовых цепей.

Конструкция автомата защиты

Тепловой расцепитель похож на деформирующуюся от нагрева биметаллическую пластину. Он характеризуется медленным срабатыванием. Для выключения автомата по тепловому расцепителю необходимо время, чтобы он прогрелся до нужной температуры. Тепло для нагрева берется от тока перегрузки, протекающего через автомат. Нечто подобное имеется в термостатах утюгов и кнопках чайников.

Внутри дифференциальных автоматов имеется дополнительный узел — датчик тока. Он предназначен для сравнения токов, протекающих по фазам. Этот элемент конструкции позволяет диф автомату отключаться при пропаже напряжения в одной из фаз. Данная функция особенно важна для защиты электрических двигателей.

Важно! Если у вас без очевидной перегрузки срабатывает автомат, то следует обратить внимание на надежность его подключения. Часто плохой незатянутый контакт приводит к нагреву автомата. А нагрев — к непроизвольным срабатываниям теплового расцепителя.

Тепловой расцепитель

В мощных трехполюсных автоматах имеются дугогасительные камеры. Они предназначены для максимально быстрого прерывания дуги, образующейся между контактами в момент размыкания цепи. Применение дугогасительных камер существенно продлевает срок эксплуатации прибора. Благодаря им контакты выгорают гораздо медленнее.

Внешние элементы

Снаружи устройство имеет стандартную для защитных аппаратов конструкцию. Сверху находятся 3 винтовых клеммы для подключения приходящих проводов. Снизу аналогичные винтовые контакты, но для отходящей линии. Между ними находится рычаг включения и отключения. Многие трехполюсные автоматы оснащены указателем состояния. Красный флажок или символ «1» — автомат включен. Зеленый или «0» — выключен. На корпусе прибора указываются основные электрические параметры: номинальный ток и временная характеристика.

Обозначения на корпусе трехфазного автомата

Дополнительная информация. Конструкция некоторых моделей автоматов предполагает использование ручки, напоминающей ту, что устанавливается на двери. Такая ручка приобретается по желанию покупателя. Ее поворот включает или выключает защитное устройство.

Характеристики автоматических выключателей: A, B, C, D, K и Z

Характеристики автоматических выключателей: A, B, C, D, K и Z

На сегодняшний день автоматические выключатели стали незаменимым частью электрической цепи как на производстве, так и в быту. Все автоматические выключатели обладают множеством параметров, один из которых – время токовая характеристика. В данной статьи мы рассмотрим, чем отличаются автоматы с время токовой характеристиками категории A, B, C, D и где данные выключатели применяются.

Читайте так же:
Импульсные реле с кнопочными выключателями

Работа автоматического выключателя

Независимо от того к какому классу относится автоматический выключатель, его основная задача — это срабатывание в случае появления чрезмерного тока в сети, и прежде, чем произойдет повреждение защитного оборудования и кабеля автомат должен обесточить сеть.

В сети бывают 2 вида опасных для сети токов:

Сверхтоки вызванный КЗ. Причиной возникновения короткого замыкания является замыкание нейтрального и фазного проводника между собой. В обычном состоянии фазный и нейтральный провод подключены к нагрузке отдельно друг от друга.

Токи перегрузки. Появление таких токов зачастую происходит в том случае, если суммарная мощность подключенных устройств к линии превышает предельно допустимую норму.

Токи перегрузки

Токи перегрузки зачастую бывают немного больше номинального значения тока автомата, поэтому токи перегрузки как правило не вызывают повреждение цепи в случае недолговременной продолжительности действия. Следовательно, нам не нужно мгновенно отключать сеть в данном случае (зачастую величина тока быстро приходит в норму). В каждом автоматическом выключателе предусмотрено определенное превышение силы тока, которое приводит к срабатыванию автомата.

Время срабатывания автоматического выключателя связано с величиной перегрузки. При значительном превышении номинала выключение автомата происходит за считанные секунды, а при небольшом превышении нормы, срабатывание автомата может произойти в течении часа и больше. Данная особенность обусловлена использованием в автомате биметаллической пластины, которая изгибается при нагреве током превышающего норму и тем самым приводит к срабатыванию автомата. Чем большее значение тока, тем быстрее изгибается пластина и тем раньше срабатывает автомат.

Токи КЗ

При правильном выборе автомата, ток КЗ должен приводить к его мгновенному срабатыванию. За обнаружение и немедленную реакцию автомата отвечает электромагнитный расцепитель. Конструктивно расцепитель представляет собой соленоид с сердечником. Под воздействием сверхтока сердечник вызывает мгновенное срабатывание автомата и данное отключение должно происходить в течении доли секунд.

Здесь мы плавно переходим к основному вопросу, которому посвящен наш материал. Существует, как мы уже говорили, несколько классов АВ, различающихся по времятоковой характеристике. Наиболее распространенными из них, которые применяются в бытовых электросетях, являются устройства классов B, C и D. Автоматические выключатели, относящиеся к категории A, встречаются значительно реже. Они наиболее чувствительны и используются для защиты высокоточных аппаратов.

Теперь мы плавно переходим к главному вопросу связанному с срабатыванием автоматических выключателей в зависимости от его времятоковой характеристики. Между собой эти устройства различаются по току мгновенного расцепления. Его величина определяется кратностью тока, проходящего по цепи, к номиналу автомата.

Автоматы типа МА

Главная особенность подобных устройств – отсутствие в них теплового расцепителя. Обычно подобные устройства ставят для защиты электрических моторов и прочих мощных устройств.

Читайте так же:
Выключатель для короба dlp

Устройства класса А

Автоматы класса А имеют самый высокий порог чувствительности. В устройствах с времятоковой характеристикой А, тепловой расцепитель, как правило срабатывает в случае превышении воздействующей силы тока на 30% больше номинала выключателя.

Стоит учесть, что подобные автоматы устанавливаются в линии, в которой не допустимы даже кратковременные перегрузки. К примеру, это может быть цепь с полупроводниковыми элементами.

Защитные устройства класса B

Все устройства категории В имеют меньшую чувствительность, в сравнении с устройствами категории А. Срабатывание электромагнитного расцепителя в них происходит при превышении номинала автомата на 200%. При этом время срабатывания данных устройств составляет 0,015 сек.

Устройства категории В используются для установки в линиях, в которые включены приборы освещения, розетки и также в других цепях, в которых отсутствует пусковые токи или они имеют минимальное значение.

Устройства категории С

Устройства типа С весьма распространены в бытовых сетях. Устойчивость к перегрузкам у данных устройств выше, нежели у всех вышеперечисленных. Чтобы произошло срабатывание соленоида электромагнитного расцепителя, требуется превышение проходящего через расцепитель тока в 5 раз выше номинального значения. Тепловой расцепитель срабатывает в случае превышения номинала в 5 раз через 1,5 сек.

Как упоминалось ранее выключатели с времятоковой характеристикой С обычно устанавливаются в бытовых сетях. Данные устройства отлично работают в роли вводных устройств для защиты общей сети.

Вы можете купить автоматические выключатели категории С от лучших производителей:

Автоматические выключатели категории D

Выключатели категории D имеют наиболее высокую перегрузочную способность. Электромагнитная катушка в устройстве срабатывает при превышении номинала автомата, как минимум в 10 раз.

Тепловой расцепитель срабатывает через 0,4 сек.

Зачастую устройства категории D применяются в общих сетях зданий и сооружений в роли страховки. Данные устройства срабатывают в том случае, если не произошло своевременное срабатывание автоматов защиты цепи в отдельных помещениях. Также автоматы категории D могут устанавливаться в цепях с большими пусковыми токами.

Вы можете купить автоматические выключатели категории D здесь:

Защитные устройства категории K и Z

Автоматы категории K и Z встречаются довольно редко. Устройства категории К имеют большой разброс в значениях тока, требуемых для электромагнитного расцепителя. К примеру, для цепи переменного тока данный показатель должен превышать номинал в 12 раз, а в случае применения в цепи постоянного тока, в 18 раз. Электромагнитный соленоид срабатывает через 0,02 сек. Тепловой расцепитель может сработать при превышении номинала всего на 5%.

Из-за своих свойств устройства категории К применяются в цепях с исключительно индуктивной нагрузкой.

Устройства категории Z также имеют различные токи срабатывания соленоида электромагнитного расцепителя, но разброс для данного варианта, не настолько большой, как в выключателях с категорией К. В цепи постоянного тока величина тока должна быть в 4,5 раза выше номинала, а в сетях переменного тока для срабатывания автомата, ток должен превысить автомат в 3 раза. Устройства категории Z обычно используют для защиты электроники.

Читайте так же:
Инерционный выключатель подачи топлива мазда

Первопричины внимания к твердотельным выключателям

Прибор класса 10 — 20 кВ видится технологичным прорывом в области цепей питания напряжением средней величины. Устройство обеспечивает чрезвычайно быструю блокировку повреждения, низкие токовые пики, гибкую программируемую координацию, механическую изоляцию. Это ключ надежной и безопасной эксплуатации электрических систем.

Распределение мощности по линиям СНПТ активно исследуется разработчиками энергосистем по нескольким причинам. Во-первых, военно-морские и гражданские суда приводятся в действие:

  • силовыми,
  • радиолокационными,
  • оружейными системами,

требующими питания постоянным напряжением. При этом совокупные габариты и вес всех рабочих стандартных генераторов переменного тока и трансформаторов явно ограничены.

Во-вторых, ожидается, что электропитание в перспективе обеспечат преобразователи энергии, способные интегрировать ряд альтернативных источников и систем хранения, включая:

  • энергию ветра;
  • солнечную энергию;
  • аккумуляторы и маховики, с диапазоном напряжений, частот и уровней мощности.

Каналы постоянного тока идеально подходят для такого рода интеграции, но эти каналы нельзя безопасно развернуть без эффективных твердотельных автоматических выключателей.

В конечном счёте, гибкость систем распределения электроэнергии постоянного тока обещает расширить возможности коммерческих и военно-морских энергетических систем.

Твердотельные автоматические выключатели рассматриваются ключевой технологией для распределения питания. Эти устройства способны блокировать систему при полной нагрузке в микросекундных временных масштабах. В результате токовая составляющая короткого замыкания лишь в несколько раз превышают номинальный параметр нагрузки.

Прежде использование питания постоянным напряжением отмечалось сложностями по причине отсутствия подходящих высоковольтных автоматических выключателей постоянного тока. Теперь требованиям электроустановок доступно соответствие, если использовать быстродействующие твердотельные высоковольтные выключатели.

Конструкция: твердотельный выключатель постоянного тока в сетях средних напряжений

Концептуальная конструкция прибора с двумя прерывателями: 1, 7 – прерыватели IGBT на 8 МВт (10 кВ); 2 – драйвер затвора IGBT; 3 – резервуар; 4 – деионизированный водяной насос; 5 – реечный привод; 6 – разъёмы шины

Твердотельные выключатели — высоковольтные переключатели

Высоковольтные твердотельные переключатели из серии разработок «Diversified Technologies, Inc» представляют собой последовательные массивы полупроводниковых устройств, работающих как один переключатель.

Концепция достаточно проста, но выполнение требует тщательной синхронизации элементов управления затвором и отведения паразитной энергии, чтобы обеспечивались надежная работа и продолжительный срок службы коммутатора.

Такие массивы могут выстраиваться из нескольких типов полупроводниковых приборов. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) часто рассматривается предпочтительным выбором по причинам:

  • широкой коммерческой доступности;
  • механической прочности; ;
  • низкого энергопотребления для работы привода затвора.

Однако для практических применений с очень высокой мощностью (> 10 МВт), вместо транзистора желательно использовать тиристор с интегрированным затвором (IGCT — Integrated Gate Commutated Thyristor). Причины — низкие потери на проводимость.

На будущее эту же технологию высокого напряжения планируется использовать с устройствами на SiC (карборунд) или GaN (нитрид галлия) по мере доступности элементов.

Такое применение обеспечивает большее снижение потерь проводимости и более широкий диапазон рабочих температур, устраняя необходимость активного охлаждения.

Твердотельные выключатели: мгновенная блокировка неисправности

Полупроводниковое высоковольтное переключение обеспечивает существенный прогресс в работе выключателя, повышая надежность и безопасность энергетической системы.

Читайте так же:
Настройка расцепителей автоматического выключателя

Поскольку твердотельный коммутатор способен прерывать полный ток в микросекундных временных интервалах, локальная защита от неисправностей полностью обеспечена. Реализуется защита через систему управления непосредственно выключателя, без необходимости внешнего обнаружения неисправности.

Быстродействующие полупроводниковые твердотельные размыкающие выключатели представлены технологией, позволяющей распределять мощность постоянного тока, поскольку эти устройства прерывают ток без образования дуги.

Следовательно, не требуется изменение напряжения. Различия между твердотельным выключателем и механическим выключателем отмечаются сравнением соответствующих графиков времени / тока.

Горизонтальные асимптоты кривых обратного времени графиков наглядно показывают — механические переключатели не способны размыкаться менее чем за несколько миллисекунд. То есть ток при коротком замыкании возрастет до крайне высоких значений (10 кА для системы 10 кВ с общей индуктивностью системы 1 мГн).

Между тем повышение тока для полупроводникового твердотельного переключателя на эту же нагрузку составит всего 10А при времени размыкания 1 мкс. Малый ток короткого замыкания и быстрое время размыкания для твердотельного переключателя не позволят достичь разрушительных уровней энергии.

Разработка схем твердотельных выключателей

Упрощенная структурная схема твердотельного автоматического выключателя показана на картинке ниже. Твердотельный автоматический выключатель содержит последовательный ряд твердотельных компонентов, безопасно обрабатывающих напряжения шины постоянного тока.

Быстро скоординированное контроллером обратное время обеспечивает сигнал возбуждения затвора для переключения твердотельного выключателя, синхронное открывание / закрывание.

Быстродействующий контроллер обратного времени получает команды либо от других твердотельных автоматических выключателей сети, либо от быстродействующих датчиков обнаружения токов локальных повреждений.

Структурная схема твердотельного выключателя постоянного тока

Структурная схема: 1 – медленный коммутатор системы; 2 – быстродействующий контроллер обратного времени; 3, 4 – модули защиты; 5 – сенсор (датчик) тока; А – другие твердотельные выключатели; B – фаза линии; C – нейтраль линии; D – цепи системы; E – контроль тока; F – серия разрядников

Контроллер обратного времени обеспечивает управление временем обратного отключения для состояний максимального тока и быстрое мгновенное отключение при достижении предела максимального тока.

Эти рабочие параметры допустимо регулировать для каждого твердотельного выключателя, в зависимости от положения в сети, обеспечивая упорядоченную, последовательную реакцию на неисправные состояния.

Функции твердотельного прерывателя (выключателя)

Полупроводниковый твердотельный прерыватель обеспечивает основную функциональность всей сборки автоматического выключателя: быструю защиту от замыканий и надёжную изоляцию.

Полная сборка автоматического твердотельного выключателя также должна обеспечивать безопасное отключение прерывателя от электросети, когда требуется техническое обслуживание или сервис.

Выбранная концепция конструкции для прерывателя среднего напряжения постоянного тока представляет собой устройство нагрузки на основе IGBT компонента, который выдерживает ток до 800А при напряжении 10 кВ.

Используются последовательные комбинации силовых устройств управления напряжением шины СНПТ. Параллельные массивы этих сборок используются для удовлетворения общих требований к току нагрузки.

Предварительная схема твердотельного прерывателя (выключателя) цепи уровня нагрузки 8 МВт показана на картинке ниже. Твердотельный прерыватель содержит шесть элементов IGBT 4500В (CM900HB-66H), соединенных последовательно.

Читайте так же:
Выключатель заднего хода nexia

Прерыватель твердотельный мощностью 8 МВт имеет размеры ширины-высоты-глубины: 58х22х27 см и весит около 27 кг. Элементы IGBT установлены на алюминиевых плитах с водяным охлаждением, которые, в свою очередь, установлены на механически изолированной раме.

Твердотельный переключатель - концепция исполнения

Концепция на схему твердотельного прерывателя IGBT 10 кВ, 8 МВт (800 А). Элементы IGBT устанавливаются на охлаждаемые водой пластины. Неметаллические водяные линии между соседними пластинами рассчитаны выдерживать полное напряжение выключателя

Неметаллические водопроводы достаточно резистивные, чтобы ограничивать утечку тока по линиям. Поэтому требуется небольшая замкнутая система охлаждения и долговечный ионообменный картридж для поддержания удельного сопротивления охлаждающей воды.

Твердотельные выключатели + топология распределения тока

Как при традиционном распределении переменного тока, автоматический твердотельный выключатель постоянного тока допустимо использовать в простой системе радиального распределения. Электроэнергия подключается к центральной линии распределительного устройства, а затем распределяется по различным нагрузкам.

В схеме распределения постоянного тока каждая нагрузка изолируется от центральной шины диодами, так как твердотельные автоматические выключатели требуют однонаправленной проводимости.

Например, предполагается, что корабли ВМФ следующего поколения станут использовать комбинацию радиального и кольцевого распределения электрических шин. Порты и шины правого борта предполагают радиальное распределение.

Однако связь с носовой частью и кормой корабля предполагается осуществлять при помощи автоматических твердотельных выключателей. Исполнение твердотельных автоматических выключателей рассчитано на проводимость в обоих направлениях.

Характеристика D

Применимы для защиты электродвигателей, которые пускаются напрямую от сети без применения преобразователей, и имеющие большие скачки пусковых токов, а также для других устройств имеющих большие кратковременные перегрузки. График ниже:

Характеристика D автоматического выключателя

В этих устройствах кратковременные перегрузки могут достигать 10 – 20 номиналов.

Нагрузочная характеристика автоматических выключателей

Нагрузочная характеристика большинства автоматических выключателей зависит от температуры окружающей среды: при ее снижении коэффициент нагрузки увеличивается, при повышении – падает (рис.6.5). Это ограничивает возможность их использования в условиях жесткого температурного режима эксплуатации, особенно в горячих цехах или на открытом воздухе.

Автоматические выключатели - как выбрать, характеристики, графики защиты

Разнесение функций защитных устройств на несколько независимых устройств создает массу неудобств при монтаже и эксплуатации.

Каждое из них не обладает универсальностью и подходит только к конкретному автоматическому выключателю.

Поэтому перед разработчиками остро встала проблема создания универсального устройства.

Типовая рабочая характеристика асинхронного двигателя, совмещенная с кривой срабатывания электронного расцепителя Iсп – __fg_link_19__ срабатывания защиты от перегрузки

Последние поколения автоматических выключателей снабжены так называемыми электронными расцепителями, осуществляющими комплексную защиту электродвигателя и объединяющими в одном устройстве функции всех вышеперечисленных расцепителей.

Они выполнены на базе микропроцессорной техники, гарантируют высокую точность срабатывания, надежность и устойчивость к температурным режимам.

Электропитание, необходимое для правильной работы, обеспечивается непосредственно трансформаторами тока расцепителя.

Защитные расцепители состоят из трех или четырех трансформаторов тока (в зависимости от типа сети), электронного блока и механизма расцепления, который воздействует непосредственно на механизм выключателя.

Кривая срабатывания выключателя, максимально приближенная к рабочей характеристике асинхронного электродвигателя (рис.6.6), определяет следующие виды защит [19]:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector