Автоматические выключатели (автоматы).
Общие сведения

Автоматические выключатели обеспечивают одновременно функции коммутации силовых цепей (токи от единиц ампер до десятков тысяч) и защиты злектроприемника, а также сетей, от перегрузки и коротких замыканий. Аппараты имеют тепловой расцепитель и, как правило, электродинамический расцепитель. Автоматы, как правило, снабжаются дугогасящими устройствами.
Основные виды автоматов: универсальные, установочные, быстродействующие, гашения магнитного поля, защиты от утечек на землю.
Быстродействующие автоматы постоянного тока устанавливаются обычно в преобразовательных установках. Время их срабатывания измеряется несколькими сотыми долями секунды.
Автоматы гашения магнитного поля предназначены для гашения поля возбуждения крупных синхронных машин при возникновении в них внутреннего короткого замыкания.
Автоматы защиты от токов утечки на землю служат для защиты людей и животных от поражения электрическим током, а также от токов короткого замыкания и перегрузок в сетях с глухозаземленной нейтралью.
Преимущественное распространение получили универсальные и установочные автоматы. Вторые отличаются от первых лишь наличием изоляционного кожуха, благодаря чему они могут устанавливаться в общедоступных помещениях. Универсальные автоматы постоянного и переменного токов работают, главным образом, в распределительных устройствах низкого напряжения.

Независимо от назначения и быстродействия выключатели состоят из следующих основных элементов: главной контактной системы (главных контактов), дугогасительной системы, привода, расцепляющего устройства, расцепителей и вспомогательных контактов.

Главная контактная система — определяющий элемент выключателя. Она должна удовлетворять двум основным требованиям: 1) обеспечивать, не перегреваясь и не окисляясь, продолжительный режим работы при номинальном токе и 2) быть способной, не повреждаясь, включать и отключать большие токи короткого замыкания, достигающие в современных промышленных установках 75—100 кА, а в отдельных энергоемких производствах с короткими сетями — 150—200 кА. В связи с этим в выключателях на средние и большие токи с высокой отключающей способностью применяются многоступенчатые контактные системы, состоящие, например, из основных и дугогасительных контактов.
Использование металлокерамики позволяет в современных конструкциях на большие токи применять преимущественно двухступенчатые контактные системы, а в выключателях на малые и средние (до 630 А) токи — одноступенчатые контактные системы (мостиковые, -рычажные).
Контактные системы на средние и большие токи выполняются с компенсацией электродинамических сил. Наиболее эффективным следует считать принцип электродинамической компенсации .Компенсирующее усилие здесь (как и электродинамические силы) растет пропорционально квардату тока и систему можно выполнить так, что компенсирующая сила будет всегда превосходить отбрасывающую силу.
Электромагнитная компенсация становится Неэффективной при больших токах, так как при насыщении (при токах 10—25 кА) компенсирующее усилие мало возрастает с увеличением тока., в то время как отбрасывающая сила продолжает возрастать пропорционально квадрату тока.
Следует отметить, что в отдельных конструкциях отбрасывающее электродинамическое усилие в контактах используется для получения токоограничива-ющего эффекта (быстродействия) выключателя.
Кинематика выключателя выполняется так, что эа время отброса контакта под действием электродинамических сил происходит расцепление контактной системы и контакты расходятся. Повторного замыкания контактов не происходит.
Повышение номинальных токов контактных систем возможно за счет применения жидкостного, в частности водяного, охлаждения, а повышение номинальных токов выключателей — еще и за счет применения параллельных контактных систем.

Дугогасительная система должна обеспечивать отключение больших токов короткого замыкания в ограниченном объеме. Под воздействием возникающих электродинамических сил дуга быстро растягивается и гаснет, но ее пламя занимает очень большое пространство. Задача дугогасительного устройства заключается в том, чтобы ограничить размеры дуги и обеспечить ее гашение в малом объеме. С этой целью широкое распространение получили камеры с дугогасительными решетками и камеры с узкими щелями. В современных конструкциях все большее применение находят пламегасительные решетки, образуя такие комбинированные устройства, как камера с дугогасительной решеткой плюс пламегасительная решетка, камера с дугогасительной решеткой в узкой щели плюс пламегасительная решетка и т. п.

Привод служит для включения выключателя по чьей-либо команде (оператора, системы автоматического управления и др.). Выполняются выключатели с ручным или двигательным приводом либо с тем и другим. Под двигательным понимают привод, в котором сила создается любым видом энергии, кроме мускульной энергии оператора, например электромагнитом, электродвигателем, пневматикой, гидравликой и т. п. Отключение выключателя осуществляется пружинами после разъединения расцепляющего устройства.

Расцепляющее устройство предназначено:
 1) для исключения возможности удерживать контакты выключателя во включенном положении (рукояткой, дистанционным приводом) при наличии ненормального режима работы в защищаемой цепи;
 2) для обеспечения моментного отключения, т.е. не зависящей от оператора, рода и массы привода скорости расхождения контактов.
 Расцепляющее устройство представляет собой систему шарнирно-связанных рычагов, соединяющих привод включения с системой подвижных контактов, которые соединены с отключающей пружиной. Принцип работы устройства может быть пояснен схемой (рис. 1).

Рис. 1 Пример исполнения расцепляющего устройства автоматического выключателя.

Схема на рис. 1(а) соответствует положению «отключено вручную» и «выключатель взведен». «Взведен» значит, что контакты 7 и 8 разомкнуты,а фигурный рычаг 9 поставлен под зацепление 4 отключающего валика 5; это осуществляется поворотом рукоятки 1 вправо. При повороте рукоятки влево отключающая пружина 2 переведет «ломающиеся» рычаги 3 и 6 через мертвое положение до упора шарнира 0 в рычаг 9 и замкнет контакты.
Положение «включено» показано на рис. 1(б).
В случае возникновения ненормальных условий работы в защищаемой цепи соответствующий расцепитель повернет отключающий валик и выведет его из зацепления с фигурным рычагом. Под действием отключающей пружины фигурный рычаг повернется и другим своим концом переведет «ломающиеся» рычаги вправо через мертвое положение. Отключающая пружина «изломит» рычаги и разомкнет контакты. Выключатель окажется в положении «отключено автоматически», рис. 1(в). Для повторного включения необходимо отвести рукоятку вправо и ввести в зацепление фигурный рычаг с отключающим валиком. Конструкции расцепляющих устройств весьма разнообразны, однако действие их подобно описанному. В дальнейшем расцепляющее устройство будем изображать схематично в виде двух сцепленных рычагов. Следует отметить одно весьма важное обстоятельство. Отключающие и контактные пружины в автоматических выключателях развивают силы в десятки и сотни ньютонов. Система рычагов расцепляющего устройства строится так, что для расцепления требуются незначительные усилия. Это позволяет иметь легкие и высокой чувствительности расцепители.

Расцепители — элементы, которые контролируют заданный параметр защищаемой цепи и, воздействуя на механизм расцепления, отключают выключатель при отклонении значения параметра от установленного. Они представляют собой реле или элементы реле, встроенные в выключатель с использованием элементов последнего или приспособленные к его конструкции. Расцепители выполняются на базе контактных реле. В настоящее время все большее применение находят расцепители на принципах или на базе полупроводниковых реле и их элементов. При этом контролирующие и сравнивающие органы расцепителя выполняются на полупроводниковых элементах с выходом на независимый электромагнитный расцепитель (исполнительный орган), который воздействует на механизм расцепления. В зависимости от исполнения расцепители бывают:
 1) токовые максимальные мгновенного или замедленного действия, последние используются как расцепители перегрузки;
 2) расцепители напряжения: минимальные — для отключения выключателя при снижении напряжения ниже определенного уровня, независимые — для дистанционного отключения выключателя, срабатывающие при подаче на них соответствующего напряжения;
 3) расцепители обратного тока — срабатывают при изменении направления тока;
 4) тепловые — работают в зависимости от значения тока и времени его протекания, применяются обычно для защиты от перегрузок;
 5) комбинированные — срабатывают при сочетании ряда факторов.

Рис.2.Примеры схем некоторых расцепителей

Схема выключателя с расцепителем токовым максимальным мгновенного действия показана на рис. 2,(а). Токоведущую шину 1 полюса выключателя охватывает магнитопровод, состоящий из сердечника 2 и якоря 3. Когда ток станет выше определенного значения, тяговое усилие превысит усилие пружины 5, якорь притянется и повернет отключающий валик 4. Расцепляющее устройство освободится. Выключатель отключится. Регулировка тока срабатывания осуществляется натягом пружины 5.
Расцепитель напряжения минимальный рис. 2,(б) состоит из электромагнита — сердечника 2, якоря 4 и катушки 3, подключенной на контролируемое напряжение. При нормальных режимах якорь притянут. При снижении контролируемого напряжения ниже определенного значения (уставки) якорь под действием регулировочной (она же и отключающая) пружины 5 отпадет и, воздействуя на расцепляющее устройство через защелку 6, отключит выключатель. Магнитная система расцепителя выполняется так, что МДС катушки при номинальном напряжении недостаточна для притяжения якоря,но достаточна для его удержания. Якорь замыкается при подготовке выключателя к включению при помощи рычагов 1, связанных с валом выключателя. Расцепитель напряжения независимый рис. 2,(в) представляет собой электромагнит, который притягивает свой якорь при включении катушки на соответствующее напряжение. Своим концом якорь воздействует на расцепляющее устройство и отключает выключатель.
 Пример исполнения комбинированного (токового максимального и теплового) расцепителя приведен на рис. 3.

Рис.3.Комбинированный расцепитель

При перегрузках срабатывает тепловой расцепитель: биметаллическая пластинка 2 вследствие нагрева изгибается и виитом 3 поворачивает отключающий валик 4 При коротком замыкании сработает токовый максимальный расцепитель, состоящий из сердечника 7 и якоря 5, охватывающих токопровод 6. Максимальный расцепитель воздействует на тот же отключающий валик. Для ограничения тока через биметаллическую пластинку служит шунт 1.

Вспомогательные контакты служат для производства переключений в цепях управления, блокировки и сигнализации в зависимости от коммутационного положения выключателя. Они выполняются обычно в виде отдельного блока, связанного с подвижной системой выключателя.