Разъединители и быстродействующие выключатели

Безопасность обслуживающего персонала, осматривающего электрическое оборудование электровоза, обеспечивают, опустив токоприемник. Чтобы исключить случайную подачу напряжения, например в случае самопроизвольного подъема токоприемника, обрыва контактного провода над токоприемником, в силовую цепь включают разъединители Р (см. рис. 10) - по одному на каждый токоприемник. Разъединитель (рис. 28) отключают вручную из кузова электровоза.

Рис. 28. Разъединитель

Нарушение изоляции и возникновение в связи с этим короткого замыкания, а также недопустимая перегрузка в цепи вызывают ток очень большой силы, который может привести к серьезным повреждениям оборудования. Ток короткого замыкания достигает столь больших значений, что могут сгореть или разрушиться даже самые толстые провода, шины и другие токоведущие части. Возникающие при коротком замыкании механические силы взаимодействия между проводниками с током разрушают изоляторы и другие детали электротехнических установок.

Поэтому все электрические цепи, как правило, тем или иным способом защищают от токов короткого замыкания и перегрузок.

Простейшие защитные аппараты - плавкие предохранители - включают последовательно с защищаемой цепью; плавкая вставка их перегорает при токах, превышающих допустимые, так как имеет меньшее сечение, чем любой проводник в защищаемой цепи.

Защитить плавким предохранителем силовую цепь электровоза, рассчитанную на большие токи, невозможно. При коротком замыкании ток растет очень быстро (рис. 29), а плавкая вставка сгорает не сразу. Она обладает так называемой тепловой инерцией. При очень большом токе и высоком напряжении даже после того, как плавкая вставка сгорит, между зажимами, где она была включена, может возникнуть электрическая дуга.

Рис. 29. Изменение значения постоянного тока при коротком замыкании цепи

Следовательно, нужен такой защитный аппарат, который при коротких замыканиях или перегрузках был бы в состоянии в минимальное время разрывать защищаемую цепь и быстро гасить электрическую дугу. На электровозах постоянного тока для этой цели служат быстродействующие автоматические выключатели (БВ). С помощью БВ, кроме того, силовую цепь электровоза отключают от контактной сети и подключают к ней. Такие включения и отключения называют оперативными.

Машинист, нажав кнопку БВ (рис. 30, а), замыкает цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. Кнопка остается включенной, так как она не снабжена пружиной, возвращающей ее в первоначальное положение. Затем машинист кратковременно нажимает на кнопку Возврат БВ, контакты которой замыкают цепь катушки электропневматического вентиля (рис. 30, б). Под действием поля, создаваемого электромагнитом вентиля, его якорь притягивается и перемещает вниз клапаны. Верхний клапан закрывается, а нижний открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр привода (см. рис. 30, а) быстродействующего выключателя. При таком расположении клапанов вентили называют включающими, так как они, возбудившись, соединяют (включают) аппарат (в данном случае цилиндр) с источником сжатого воздуха.

Рис. 30. Схема быстродействующего выключателя (а) и вентиль включающего типа (б)

Сжатый воздух давит на поршень привода быстродействующего выключателя и передвигает его вправо. Шток поршня с роликом на конце нажимает на контактный рычаг. Перед началом движения поршня контактный рычаг с подвижным контактом оттянут выключающей пружиной в крайнее левое положение и опирается верхней частью на упор. В точке А контактный рычаг соединен шарнирно с рычагом якоря. В этом положении контактный рычаг и рычаг якоря не соприкасаются.

Когда ролик штока под действием перемещающегося поршня начинает нажимать на контактный рычаг, последний сначала поворачивается относительно точки А, не отрываясь от упора. Поворот происходит до тех пор, пока контактный рычаг не коснется рычага якоря. После этого оба рычага поворачиваются вместе вокруг оси Б. Рычаги поворачиваются до тех пор, пока якорь не будет прижат к полюсам магнитопровода, как показано на рис. 30, а штриховыми линиями.

Однако в этот момент подвижной контакт еще не коснется неподвижного и, следовательно, силовая цепь не будет замкнута. Сколько бы времени машинист ни продолжал нажимать на кнопку Возврат БВ, подвижной и неподвижный контакты не замкнутся, так как ролик штока, упираясь в контактный рычаг, не даст ему повернуться в крайнее правое положение и замкнуть силовую цепь электровоза.

Это сделано не случайно. Предположим, что включение быстродействующего выключателя производится при коротком замыкании в силовой цепи. Даже если машинист сразу заметит, что силовая цепь неисправна, пройдет некоторое время, пока он отпустит кнопку и подвижной контакт под действием выключающей пружины начнет отходить от неподвижного. Скорость движения подвижного контакта будет сравнительно небольшая, так как выключающая пружина должна преодолеть сопротивление сил трения, возникающих при вращении включающего рычага, и переместить влево поршень в цилиндре. За это время ток короткого замыкания успеет резко возрасти и вызвать значительные повреждения. Во избежание этого быстродействующий выключатель конструируют так, чтобы окончательное замыкание его контактов происходило только после того, как машинист отпустит кнопку Возврат БВ и она своими контактами разорвет цепь электромагнита вентиля (см. рис. 30, б).

Вентиль верхним клапаном, открывающимся под действием пружины, сообщает полость цилиндра БВ с атмосферой. Сжатый воздух выходит из цилиндра, и пружина, расположенная внутри его, перемещает поршень в крайнее левое положение. Однако выключающая пружина после этого не возвратит контактный рычаг и рычаг якоря в крайнее левое положение, так как якорь притянут магнитным потоком удерживающей катушки к полюсам ее магнитопровода. Наоборот, под действием выключающей пружины контактный рычаг поворачивается относительно оси А, подвижной и неподвижный контакты замыкаются. Теперь ток из контактной сети через токоприемник, дугогасящую катушку, неподвижный и подвижной контакты, гибкий шунт, размагничивающий виток, навитый на стальной сердечник, пойдет в силовую цепь к тяговым двигателям.

Магнитный поток Ф_раз, создаваемый размагничивающим витком, направлен навстречу потоку удерживающей катушки Ф_уд (см. рис. 30, а). При аварийном режиме в результате резкого увеличения тока через размагничивающий виток встречный магнитный поток настолько возрастет, что поток удерживающей катушки не сможет удержать якорь. Якорь под действием выключающей пружины оторвется от магнитопровода, и подвижной контакт с большой скоростью отойдет от неподвижного.

В момент разрыва цепи между контактами возникает электрическая дуга. Ее необходимо погасить как можно быстрее. Если допустить длительное горение дуги, то по цепи значительное время будет проходить ток короткого замыкания или перегрузки, что может вызвать серьезные повреждения электрического оборудования. Чтобы быстрее погасить дугу, необходимо резко увеличить электрическое сопротивление цепи ее прохождения. Для этого следовало бы не только мгновенно развести контакты, но и удалить их друг от друга на возможно большее расстояние. Обычно в электрических аппаратах электровозов вследствие ограниченных габаритов развести контакты на большое расстояние не представляется возможным, так как при этом значительно увеличились бы их размеры. Но можно удлинить дугу, выдувая ее за пределы контактов. В большинстве электрических аппаратов электровозов это осуществляют с помощью так называемого "магнитного дутья".

Электрическая дуга выталкивается магнитным полем, создаваемым специальной дугогасительной катушкой. Ее витки включают в цепь последовательно с контактами (см. рис. 30, а). Следовательно, по катушке проходит разрываемый выключателем ток, или, как его часто называют, главный ток. Для того, чтобы как можно дальше отбросить дугу, катушку дополняют стальными пластинами (полюсными наконечниками), касающимися ее сердечника, расширяя тем самым область действия магнитного поля катушки.

Чтобы контакты не оплавлялись, рядом с ними устанавливают дугогасительные рога (см. рис. 30, а), на которые выдувается дуга. Затем она перемещается в верхнюю разведенную часть рогов потоком нагретого дугой воздуха, где и гасится. Гашению дуги во многом способствует интенсивное ее охлаждение. Поэтому рога закрывают дугогасительной камерой (рис. 31) со стенками из огнеупорного материала - асбоцемента, обладающего большой теплоемкостью. Для увеличения интенсивности охлаждения дуги в камере делают продольные перегородки, расщепляющие дугу на отдельные параллельные ветви. В камере устраивают также поперечные перегородки, способствующие удлинению дуги.

Рис. 31. Общий вид быстродействующего выключателя

Быстродействующий выключатель регулируют на определенный ток в защищаемой цепи, при достижении которого он срабатывает. Это значение тока I_уст называют уставкой быстродействующего выключателя. После того, как ток достигнет значения уставки (см. рис. 29), через время t_c, которое называют собственным временем выключателя, начнут расходиться контакты. Собственное время, например, для БВ, установленного на электровозе ВЛ10, составляет всего 0,0015-0,003 с, и ток не успевает достигнуть опасного значения. Уставку выключателя регулируют с помощью специальных винтов, которые ввинчивают в магнитопровод или вывинчивают из него, изменяя тем самым сечение магнитопровода, а следовательно, и сопротивление прохождению магнитного потока удерживающей катушки (см. рис. 30, а).

Ток уставки БВ зависит от мощности локомотива и, например, для электровоза ВЛ10 равен 3100 А с допустимыми отклонениями в сторону увеличения на +100 А и уменьшения на -500 А. С учетом отклонений ток уставки записывают в виде I_уст = 3100 ⁺¹⁰⁰_-500А.