4-10. УСТАНОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ (СЕРИЯ A3100, ТИПЫ АП50, A01S)
В 20-х годах в промышленных установках для защиты от сверхтока и для оперативного отключения цепей применялись почти исключительно рубильники и предохранители и лишь изредка универсальные автоматы. Универсальные автоматы занимают много места и имеют гораздо большую стоимость, чем рубильники и предохранители. При применении предохранителей требуется очень много времени для восстановления питания после перегорания плавкой вставки. Кроме того, предохранитель не обеспечивает защиту установок от перегрузок.
В результате значительной конструкторской и исследовательской работы в 30-х годах удалось создать автоматы, которые при достаточно большой предельной коммутационной способности занимают значительно меньше места, чем рубильники и предохранители, требуют для изготовления мало материалов и обеспечивают хорошую защиту от перегрузок. При применении автоматов полностью устраняется возможность нарушения питания в одной из фаз, что часто имеет место при применении предохранителей и является одной из главных причин выхода из строя двигателей переменного тока. Эти автоматы применяются там, где требуется иметь малые габариты, хорошую защиту от сверхтоков, быстрое восстановление питания, либо где восстановление питания должно осуществляться без специально обученного персонала (например, в распределительных устройствах больших жилых домов, в некоторых промышленных установках). Автоматы названы установочными в связи с их конструктивным оформлением; они имеют пластмассовый кожух, закрывающий токоведу- щие части (кроме выводов), аналогично тому, как оформлены разные установочные изделия, предусмотренные для монтажа в общедоступных помещениях. Описываемые в этой главе автоматы не предназначены для установки в квартирах, так как они для этого слишком дорогие. Для квартир применяются более простые бытовые автоматы с меньшей разрывной способностью (§ 4-12),
а) Установочные автоматы на токи от 50 до 660 а
Данные основной серии установочных автоматов A3100, изготовляемой в СССР, приведены в табл. 4-5.
Тепловые (термобиметаллические) расцепители срабатывают с обратной зависимой от тока выдержкой времени. Все автоматы с номинальным током более 60 at имеют, кроме тепловых, электромагнитные расцепители, срабатывающие без выдержки времени. Они могут изготовляться только с электромагнитными расцепителями без тепловых. Указанные в табл. 4-5 уставки тепловых расцепителей относятся к температуре среды 25° С. Автоматы могут быть отрегулированы так, чтобы эти. же уставки сохранились при температуре 40° С. Автоматы допускают работу в интервале температур ±40° С. Пограничный ток теплового расцепителя при уменьшении температуры среды на 10° С увеличивается: на 5% у автоматов А3110 и больших величин; на 7% у автоматов A3161 и A3163 на токи 20—50 а; на 10% У автоматов А3161 и A3163 на ток 15 а. Автоматы типа A3120, A3130 и A3140 имеют съемные, расцепители максимального тока. Каждый расцепитель легко может быть заменен на расцепитель, имеющий другой номинальный ток. Автоматы вышеуказанных типов могут быть снабжены добавочным независимыми расцепителем и 2 и. о. и 2 и. з. блок-контактами. Кроме нормального, имеется втычное исполнение, при котором возможна быстрая смена испорченного автомата на запасной.
Все автоматы допускают 10 000 включений и отключений номинального тока при номинальном напряжении, кроме автомата A3140 при постоянном токе и автомата А3110 при обоих родах тока, которые допускают 5 000, и кроме автоматов А3161 и А3163, которые при переменном токе допускают 20 000 таких включений и отключений.
Предельная коммутационная способность и защитные характеристики автоматов приведены в приложении П. 4.
Конструкции всех типов автоматов серии А3100 похожи друг на друга (рис. 4-35). Пластмассовые основание 1 и крышка 2 имеют продольные перегородки между полюсами с лабиринтным уплотнением в месте стыка, что необходимо для предотвращения переброса дуги.
Основные данные установочных автоматов
Рис. 4-35. Установочный автомат типа А3120 на 100 а (невтычного исполнения), а — отключен автоматически; б — взведен или отключен вручную; в— включен.
При отключении больших токов короткого замыкания давление газов внутри корпуса велико, и, чтобы крышка не лопнула, у автоматов на ток 200 а и более она скреплена с основанием шестью винтами. Неподвижный контакт 3 и подвижный контакт 4 сделаны из металлокомпозиций разного состава на базе серебра, никеля и графита. У автомата на ток 600 а в отличие от меньших имеются на каждом полюсе по два главных контакта и один разрывной. Дугогасительная камера- имеет стальные пластинки 10, укрепленные в каркасе 11 из листовой фибры. Для взведения механизма после автоматического отключения рукоятку управления 5 переводят в нижнее положение и вводят рычаг 6 в зацепление с рычагом 7. Теперь включение и отключение при движении рукоятки осуществляются под влиянием пружин 8, перебрасывающих ломающиеся рычаги 9 в одну или другую сторону от их мертвого положения и поворачивающих контактный рычаг 12 вокруг неподвижной оси 13. Чтобы можно было взвести автомат после автоматического отключения, надо выждать 1—5 мин для остывания термобиметалла.
Автоматическое отключение произойдет, когда повернется рейка 14 и ее зуб 15 освободит рычаг 7, удерживающий рычаг 6. Поворот этой рейки происходит либо под влиянием притяжения якоря электромагнита 16 к магнитопроводу 17, внутри которого проходит шина, несущая главный ток, либо под влиянием изгиба термобиметалла 18 при нагреве проходящим по нему сверхтоком. После освобождения рычага 7 под влиянием оперативных пружин 8 механизм переходит в положение «автоматически отключено». В этом случае рукоятка управления занимает среднее положение, что дает возможность узнать, произошло ли отключение автоматически или оно осуществлено вручную. Расцепитель автомата А3120 и автоматов на большие токи — съемный, он может быть заменен расцепителем на другой номинальный ток.
Термобиметалл расцепителей на номинальный ток свыше 100 а сделан из инвар-немагнитной стали (марка ТБ-3). Он током не обтекается, а нагревается от прилегающего к нему нагревателя, по которому проходит ток. Это вызвано, во-первых, тем, что при токе более 100 а трудно выполнить термобиметаллический расцепитель с непосредственным нагревом термобиметалла током (§ 5-10), а, во-вторых, тем, что при косвенном нагреве получаются большие выдержки времени при перегрузках, что желательно, так как провода большого сечения, защищаемые автоматами на ток свыше 100 а, имеют большую постоянную времени нагрева. Термобиметаллический элемент на токи 100 а и ниже обтекается главным током или частью его. В последнем случае другая часть тока идет через шунт-нагреватель. У автоматов АЗ-120 он имеется при токах от 30 до 100 а. У автоматов А3110 при токах до 100 а биметалл не шунтируется. При наличии шунта-нагревателя получается большая выдержка времени при перегрузках, чем в случае, когда весь ток идет через термобиметалл (см. § 5-10). Термобиметаллические элементы на токи 40— 100 а изготовляются из инвар-никеля или инвар-латуни при отсутствии шунтов и инвар-стали при наличии шунтов. При токах до 40 а применяется инвар-сталь без шунтов.
Электромагнитный расцепитель мгновенного действия безусловно необходим, если термобиметалл не обтекается током. Если его не будет, то из-за большого времени передачи тепла от нагревателя к биметаллу время срабатывания будет недопустимо велико, что при больших токах приведет к сгоранию нагревателя. Если термобиметалл обтекается током, то расцепитель мгновенного действия нужен главным образом для защиты термобиметаллического элемента от недопустимого нагрева при больших токах, в особенности если он выполнен из термически нестойких материалов, как инвар-цветные металлы. Даже при медленном нагреве эти материалы из-за меньшей механической прочности цветного компонента допускают меньшую температуру. При коротком замыкании дело ухудшается тем, что большая часть тока идет по цветному компоненту и нагревает его сильнее инвара. Иногда в автоматах с термобиметаллом, обтекаемым током, можно не иметь электромагнитного расцепители. Время отключения автомата при этом будет достаточно мало для защиты установки от нагрева при коротком замыкании; однако условия работы контактов будут значительно тяжелее. Отсутствие расцепителя мгновенного действия с эксплуатационной точки зрения вообще желательно, так как при этом можно осуществить избирательную защиту.
В настоящее время автоматы A3100 на токи до 50 а изготовляют без расцепителей мгновенного действия. Разрывная способность этих автоматов невелика, а нагреватели на наименьший номинальный" ток (наиболее подверженные порче) изготовлены из наиболее термостойкого материала ТБ-3. У автоматов на большие токи биметалл менее термостоек, ток короткого замыкания большой и поэтому ставят электромагнитный расцепитель. Иногда и он недостаточен для должной защиты термобиметалла, поэтому в некоторых исполнениях добавляют еще контакты, мгновенно шунтирующие биметалл при больших токах.
Основными мероприятиями, в результате которых в свое время удалось выполнить установочные автоматы A3100 в значительно меньших габаритах, чем универсальные, являются:
Применение пластмассовых корпусов, в результате чего оказалось возможным уменьшить объем камер и сблизить токоведущие части. Пластмассовые перегородки и ребра на поверхности при этом предохраняют от пробоя или перекрытия. Пластмассовые корпуса дают возможность осуществить удобный и компактный монтаж в распределительных устройствах.
Применение дугостойких и несваривающихся металлокомпозиций в сочетании с моментным одноступенчатым включением. Это дало возможность снизить габаритные размеры контактных систем и нажатия на них, что в свою очередь привело к снижению габаритных размеров механизма.
Применение тёрмобиметаллических расцепителей, которые требуют мало места.
Отказ от универсализма.
Последние два мероприятия — не самые главные. Возможно достичь значительного сокращения габарит- пых размеров на основе первых двух.
б) Установочные автоматы на токи до 50 а
Большое распространение имеет трехполюсный автомат типа АП50 на ток 50 а и напряжение 380 в переменного и 220 в постоянного тока, представляющий собой модификацию автомата типа АП25.
Автомат АП50 имеет тепловые расцепители на токи от 1,6 до 50 а. У расцепителей на малые токи термобиметаллический элемент (полоска) нагревается нихромовым проволочным нагревателем, навитым на элемент и изолированным от него с помощью листового асбеста. Для защиты нагревателя и повышения коммутационной способности (вследствие ускорения срабатывания) в автомате установлены также электромагнитные расцепители максимального тока мгновенного действия. Имеются исполнения с тепловыми и электромагнитными расцепителями, только с электромагнитными и только с тепловыми.
Тепловые расцепители регулируются так, чтобы они не срабатывали при токе 1,1 и срабатывали при токе 1,35 номинального тока расцепителя. Электромагнитные расцепители имеют регулируемую уставку в пределах 6 — 8-кратного номинального тока.
Может быть установлен 1 и. з. и 1 и. о. блок-контакт.
Автомат АП50 может служить одновременно и как ручной пускатель для короткозамкнутых асинхронных двигателей. Гарантируемый механический срок службы составляет 50 000 операций. Данные коммутационной способности автомата АП50 см. приложение П-5.
Наименьшей величиной установочного автомата является однополюсный автомат типа А015 на токи 15 — 20 а, напряжение 220 в постоянного и переменного тока частотой 50 или 500 Гц {Л. 6-24]. Он исполняется со следующими расцепителями максимального тока:
с комбинированными электромагнитными и тепловыми термобиметаллическими с косвенным нагревом на номинальные токи от 1 до 15 а;
только с тепловыми термобиметаллическими с непосредственным нагревом на токи 12, 15 и 20 а;
только с электромагнитными на номинальные токи от 1 до 20 а.
Имеются исполнения для монтажа на дне или на крышке ящика (с рукояткой, выходящей на лицевую сторону). Автомат вибростоек и имеет специальное ударостойкое исполнение.
Тепловые расцепители регулируют так, чтобы они не срабатывали при токе 1,1 номинального и срабатывали при токе 1,35 номинального в течение 1 ч.
У комбинированных расцепителей теркобиметаллический элемент воздействует на якорь электромагнита, с которым связана защелка механизма свободного расцепления. Этим ускоряется срабатывание при перегрузках и повышается термостойкость нагревателя (рис. 4-36). Обычно расцепители с косвенным нагревом при шестикратном токе срабатывают с холодного состояния за 20 сек. В рассматриваемом случае время срабатывания равно 8 сек. Мгновенное срабатывание только от действия электромагнита наступает при токах 10 — 16 кратных номинального.
Автоматы только с электромагнитными расцепителями срабатывают мгновенно при токах, которые на заводе могут устанавливаться в пределах от 2 до 10 кратного номинального. Есть специальное исполнение с уставкой, равной 1,3 номинального тока.
Защитная характеристика автомата только с тепловым расцепителем такая же, как и у всех автоматов с расцепителями, имеющими непосредственный нагрев. В критериальном виде (§ 1-4) она изображена на рис. П. 4-1 под номером 1. Для нее постоянная 7=35 сек.
Рис. 4-36. Защитная характеристика автоматов А015 с комбинированным расцепителем.
Разрывная способность автомата с комбинированным и с электромагнитным расцепителями при напряжении 220 е переменного тока и коэффициенте мощности 0,6 равна 1 800 а (действующее значение симметричной составляющей — 1 130 а). Разрывная способность на постоянном токе при постоянной времени цепи 10 мсек равна 1 000 а при напряжении 110 в и 500 а при напряжении 220 е. Собственное время срабатывания при предельных токах равно 6 мсек. Автоматы только с тепловыми расцепителями не могут отключать ток более 500 а. Допустимое число включений — 60 000, из них 6 000 при номинальном токе и номинальном напряжении.
Кинематика механизма автомата изображена на рис. 4-37. При оперировании вручную контакты включаются и отключаются под влиянием перекидной пружины. При срабатывании расцепителя освобождается защелка 6 и отключающий рычаг 4 непосредственно воздействует на траверсу 2 с контактами, вызывая переброс рукоятки, которая устанавливается в промежуточном положении, что указывает на то, что отключение произошло автоматически.
Рис. 4-37. Кинематическая схема автомата А01Б.
а — включено; б — отключено вручную; в— отключено автоматически; 1 — рукоятка; 2 — траверса с подвижными контактами; 5 — неподвижные контакты; 4 — отключающий рычаг; 5 — отключающая пружина; б — защелка расцепителя; 7 — перекидная пружина; 8 — ось неподвижного шарнира 9 — пружина контактов.
После этого для включения надо предварительно взвести механизм, доведя рукоятку до правого упора. Весь механизм установлен на одной оси. При автоматическом отключении раствор контактов больше, чем при оперативном, что дает возможность эффективно использовать дугогасительную камеру (деионная решетка с пламегасительными пластинками).
Кинематика механизма и усилия пружин выбраны так, что даже при очень медленном движении рукоятки, если траверса 2 начала двигаться, выбирая провал контакта, она не остановится в промежуточном положении и контакты будут полностью разомкнуты. Нельзя даже искусственно сделать так, чтобы контакты касались при очень малом нажатии. Особенностью механизма является также то, что нажатие на защелку можно сделать очень малым, так как оно определяется разностью усилий, создаваемых отключающей и перекидной пружинами.
