Тема: «Исследование конструкций и действия быстродействующих выключателей БВП-3А и БВП-5, 12НС».

Цель работы: назначение, конструкции и действия быстродействующих выключателей БВП-3А и БВП-5, 12НС».

Быстродействующий выключатель предназначен для разрыва силовой цепи для ее защиты от токов короткого замыкания.

Машинист, нажав кнопку БВ, замыкает цепь удерживающей катушки быстродействующего выключателя. Кнопка остается включенной; она не снабжена пружиной, возвращающей ее в первоначальное положение. Затем машинист кратковременно нажимает на кнопку Возврат БВ, контакты которой замыкают цепь катушки электропневматического вентиля. Под действием поля, создаваемого электромагнитом вентиля, его якорь перемещается и открывает доступ сжатому воздуху в цилиндр привода быстродействующего выключателя. Заметим, что электропневматический вентиль называют включающим, если при прохождении тока через его катушку клапаны соединяют аппарат (в данном случае цилиндр) с источником сжатого воздуха.
Сжатый воздух давит на поршень в цилиндре 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. Это положение рычагов быстродействующего выключателя показано, а. Контактный и якорный рычаги имеют в точке А шарнирное соединение. 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 рядом с осью Б. После этого оба рычага поворачиваются вместе вокруг оси Б. Рычаги поворачиваются до тех пор, пока якорь не будет прижат к полюсам магнитопровода.
Однако в этот момент подвижной контакт, находящийся в верхней части рычага якоря, отойдет от упора, но еще не коснется неподвижного контакта и, следовательно, силовая цепь не будет замкнута. Сколько бы времени машинист не продолжал нажимать на кнопку Возврат БВ, подвижной и неподвижный контакты не замкнутся, так как ролик штока, упираясь в контактный рычаг, не даст ему повернуться относительно точки А по часовой стрелке 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 в силовой цепи возникла неисправность, пройдет некоторое время, пока он отпустит кнопку и подвижной контакт под действием выключающей пружины начнет отходить от неподвижного. Скорость движения подвижного контакта будет
сравнительно небольшой, 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 окончательно его контакты замыкались только после того, как машинист отпустит кнопку Возврат БВ и она своими контактами разорвет цепь электромагнита электропневматического вентиля. Катушка электромагнита вентиля будет обесточена и полость цилиндра привода соединится с атмосферой. Сжатый воздух выйдет из цилиндра, и пружина, расположенная внутри него, переместит 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 точки 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, создаваемый размагничивающим витком, направлен встречно потоку, создаваемому удерживающей катушкой в левой части магнитопровода, и согласно потоку, создаваемому этой же катушкой в правой части. При аварийном режиме в результате резкого увеличения тока через размагничивающий виток, включенный последовательно в силовую цепь, встречный магнитный поток настолько возрастет, что поток не сможет удержать якорь. Под действием выключающей пружины якорь оторвется от магнитопровода, и подвижной контакт с большой скоростью отойдет от неподвижного.
Размагничивающее действие витка усиливается при наличии индуктивного шунта, включенного параллельно ему. Поскольку индуктивное сопротивление шунта больше индуктивного сопротивления размагничивающего витка, при резком нарастании тока большая его часть проходит через размагничивающий виток, вызывая резкое увеличение и уменьшение электромагнитных сил, притягивающих рычаг якоря, что ведет к снижению времени выключения БВ.
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 в ее цепи. 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 размеров развести контакты на большое расстояние не представляется возможным. Однако 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. Следовательно, по катушке проходит разрываемый выключателем ток. Для того чтобы как можно дальше отбросить дугу, катушку дополняют стальными пластинами (полюсными наконечниками), расширяя тем самым область действия магнитного поля катушки.
Чтобы контакты не оплавлялись, рядом с ними устанавливают дугогасительные рога, на которые выдувается дуга. Затем она перемещается в верхнюю часть разведенных рогов потоком нагретого дугой воздуха, где и гасится. Гашению дуги во многом способствует интенсивное ее охлаждение. Поэтому рога закрывают дугогасительной камерой 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. Устраивают также и поперечные перегородки, спо­собствующие удлинению дуги.
Быстродействующий выключатель регулируют на определенный ток Iуст в защищаемой цепи, по достижении которого он срабатывает. Этот ток называют уставкой быстродействующего выключателя. После того как ток достигнет значения уставки, через время tc, которое называют собственным временем выключателя, начнут расходиться контакты. Собственное время, например, для БВ, установленного на электровозе ВЛ10, составляет 0,0015—0,003 с, и ток не успевает достигнуть опасного значения. Уставку выключателя регулируют с помощью специальных винтов (см. рис. 31), которые ввинчивают в магнитопровод удерживающей катушки или вывинчивают из него, изменяя тем самым площадь сечения магнитопровода, а следовательно, и сопротивление прохождению магнитного потока удерживающей катушки.
Ток уставки БВ зависит от мощности локомотива; например, для электровоза ВЛ10 он равен 3100 А с допустимыми отклонениями в сторону увеличения на + 100 А и уменьшения на — 50 А.

HC

Быстродействующий автоматический выключатель (БВ) служит для отключения (защиты) силовых цепей тяговых двигателей, вспомогательных машин и отопления при коротких замыканиях в них. Кроме того, БВ используют для отключения силовых цепей при перегрузке тяговых двигателей, чрезмерном повышении или понижении напряжения в контактной сети, неполных коротких замыканиях в силовых цепях тяговых двигателей и вспомогательных машин, сильном боксовании одной из колесных пар, перегрузке в цепи отопления вагонов состава.

На электровозе ЧС2 установлен быстродействующий выключатель 12НС (рис. 157, 158 и 159) с пневматическим приводом. Он имеет несущую раму, автоматически контактное отключающее и

Рис. 157. Быстродействующий выключатель 12НС и его габаритные размеры

Рис 158. Быстродействующий выключатель 12НС

Рис. 159. Схема включающего и отключающего механизмов выключателя 12НС

дугогасительное устройство, пневматический привод, вспомогательные (блокировочные) контакты. По отношению к кузову («земли») токонесущие части высокого напряжения выключателя имеют двойную изоляцию, состоящую из четырех фарфоровых изоляторов 1 (см. рис. 157) и гетииаксовых изоляционных стенок 2. Вместе со стальной сварной рамой выключателя эти стенки образуют каркас для крепления всех остальных частей выключателя.

Контактное устройство состоит из неподвижного главного контакта 30, выполненного из медной шины толщиной 16 мм, к которой тремя винтами прикреплен медный контакт, и подвижного главного медного контакта 10; последний может поворачиваться вокруг оси 6 и находиться под действием отключающей пружины, стремящейся разомкнуть контакты 10 и 30, т. е. отключить БВ.

Для включения аппарата необходимо переместить текстолитовую тягу 31 в направлении неподвижного контакта 30 (вправо по рис. 157 и влево по рис. 158 и 159). При этом зубчатая тяга (защелка) 7 захватывается храповиком 8, сцепленным с подвижным контактом 10, и последний передвигается в сторону неподвижного контакта, т. е. главные контакты замыкаются.

Пружины 28, регулируемые винтом 29, устанавливают необходимое нажатие между главными контакта-

ми. В отключенном состоянии подвижной контакт 10 удерживается пружиной 73.

С подвижным контактом связаны четыре пары подвижных блокировочных контактов, помещенных в корпусе 34. Две пары контактов замыкают цепи при включенном БВ и две пары размыкают.

Автоматическое отключающее устройство состоит из катушки 37, выполненной из 13/4 витка шинной меди сечением 16X70 мм2, якоря 35, магнитопровода 36 и расцепляющего механизма. Концы катушки 37 с одной стороны соединены с выводной шиной 5, а с другой —с дугогасительными катушками //. На якорь 35 постоянно нажимает пружина 40, стремящаяся отвести его от сердечника 41 электромагнита. Воздушный зазор между якорем 35 и сердечником устанавливают винтом 43. Величиной этого зазора определяется ток катушки 37, при котором якорь, преодолевая нажатие пружины 40, притягивается к сердечнику. Значения тока уставки определяются положением якоря, который рычагом 42 связан со стрелкой 4. Положение стрелки 4 шкалы 3 указывает ток уставки.

По катушке 37 проходит ток силовой цепи электровоза. Когда величина этого тока превысит ток уставки БВ, якорь 35 поднимется вверх, регулировочный винт 43 вытолкнет зубчатую тягу (защелку) 7 из зацепления с храповиком 8. Подвижной контакт 10 под действием отключающей пружины 72 практически мгновенно (через 0,006 с) отойдет от неподвижного контакта 30.

БВ включается пневматическим приводом (рис. 160). Привод состоит из чугунного цилиндра 66 с внутренним диаметром 90 мм, закрытого снизу крышкой 52, имеющей канал для подвода и отвода сжатого воздуха. В цилиндре помещен поршень 54 с канавкой,

в которую заложено уплотняющее резиновое кольцо 53. На поршень через шайбу 55 постоянно давит пружина 57, стремящаяся возвратить поршень в нижнее положение. В нижней части поршня укреплен валик 51, соединяющий поршень со штоком 33.

Пружина 56, витки которой расположены вокруг валика 51, упирается своим нижним концом о дно поршня, верхним концом нажимает на шток 33 и стремится прижать его к ролику 58, ось этого ролика прикреплена к цилиндру 66.

Над цилиндром 66 расположен двуплечий рычаг 32, па нижнем плече которого укреплен ролик 60, а верхнее плечо через шарнир и изоляционную (текстолитовую) тягу 31 (см. рис. 159) при повороте рычага по часовой стрелке перемещает подвижной контакт к неподвижному.

В выключателе имеется механизм, состоящий из тяги 59 (см. рис. 160, рычага 61, свободно посаженного на ось 62, тяги 63, соединенной с плунжером электромагнита 64. При возбуждении этого электромагнита шток 33 поворачивается по часовой стрелке и верхней частью прижимается к ролику 60 рычага 32.

К поршню 54 прикреплен кронштейн 70, в который ввернут болт 69, управляющий включением и выключением блокировочных контактов, расположенных в корпусе 67.

Впуск и выпуск сжатого воздуха в рабочую полость цилиндра привода производят электромагнитным вентилем 65 типа 842.

При возбуждении катушки вентиля 65 сжатый воздух поступает под поршень 54 и, преодолевая усилие пружины 57, поднимает его вместе со штоком 33. Так как одновременно с возбуждением катушки вентиля возбуждается удерживающий электромагнита— катушка его постоянно включена параллельно катушке вентиля, то шток 33 прижимается к ролику 60 и своим выступом В поворачивает рычаг 32 по часовой стрелке, т. е. производит включение БВ.

Нормально поршень 54 имеет ход 38 мм. При перемещении поршня вверх болт 69 нажимает на штифт 68, с которым связаны четыре пары подвижных блокировочных контактов БВ. При отключении катушек электромагнита 64 и вентиля 65 шток 33 поворачивается против часовой стрелки и дает возможность под действием отключающих пружин 72 (см. рис. 159) отойти подвижному контакту от неподвижного, так как рычаг 32 при этом может свободно поворачиваться против часовой стрелки. По мере выхода воздуха из цилиндра 66 поршень 54 вместе со штоком 33 под действием пружины 57 и собственного веса опускается вниз. Сделано это для того, чтобы- время отключения БВ не было связано со временем выхода сжатого воздуха из цилиндра через каналы и электромагнитный вентиль 65. Пневматический механизм установлен на двух консолях между изоляционными стенками 2. При отключении БВ между его главными контактами появляется дуга / (рис. 161). Для ускорения процесса гашения дуги применено магнитное ее выдувание. Магнитное поле создается двумя параллельно включенными дугогасительными катушками 11, имеющими по

Рис. 161. Схема дугогашения выключателя 12НС

пять медных витков (сечением 50 X Х10 мм2). Катушки с одной стороны через катушку 37 электромагнита соединены с внешней цепью (токоприемником), а с другой (внешними витками) с помощью гибких шунтов 44—с подвижным контактом 10. По этим катушкам проходит весь ток силовой цепи электровоза и образованный им магнитный поток замыкается по магнитопроводу 9 (см. рис. 158), башмакам 13, воздушному зазору между боковыми стенками 14 и самим стенкам дугогасительной камеры. Башмаки выполнены из листов электротехнической стали, расположенных в виде веера.

Под действием магнитного поля катушек // (см. рис. 161) дуга удлиняется и перекидывается на рога 21 и 45 (на рис. 161 эта стадия гашения дуги изображена линией //) и начинает двигаться по ним вверх.

Рог 21 соединен с неподвижным, а рог 45 — с подвижным контактами. После того как дуга растянется настолько, что она перекинется с нижней части рогов 21 и 45 на верхние изолированные от первых прямолинейные части — шины 25 и 46 (стадия ///), ток начнет проходить по дополнительным дугогасительным катушкам 26 и 47, которые имеют по два витка. Образованный указанными катушками магнитный поток, замыкаясь через сердечник 27 (см. рис. 157 и 158), стальные накладки 12, воздушный зазор между стенками камеры и сами стенки, создает дополнительную силу, способствующую перемещению дуги вверх. При этом дуга встречает в дугогасительной камере дополнительные малые рога 19 и.48, соединенные между собой дугогасительной катушкой 16, внутри которой помещен сердечник 15 из электротехнической стали, а снаружи боковых стенок камеры расположены стальные накладки 17.

Малые рога укреплены в дугогасительной камере с помощью непроводящего ток стержня 18. При прохождении тока через катушку 16 (стадия IV) этой катушкой также создается магнитный поток, выдувающий дугу вверх и растягивающий ее (см. рис. 161). Когда дуга достигнет длины, при которой внешнее напряжение уже не может ее поддержать, она разрывается.

Дугогасительная камера (см. рис. 157 и 158) состоит из боковых асбоцементных стенок 14, скрепленных между собой болтами 24. По краям камеры между стенками помещены асбоцементные бруски 23. Для уменьшения выхлопа пламени и ионизированных газов из дугогасительной камеры в верхней ее части установлена деионная решетка, состоящая из отдельных элементов 22.

При движении дуги вверх она охлаждается боковыми стенками, а также дополнительными вертикальными перегородками 39, расчленяющими ее на параллельные дуги, что также способствует ее лучшему охлаждению. Перегородки скреплены прокладками 20. Бруски 74, на которые помещены рога, изготовлены из микоплакса (спрессованный порошок слюды со связующим). Дугогасительная камера помещается между башмаками 13 так, что они соприкасаются со стенками 14 этой камеры. Дополнительным креплением камеры служат пружинящие пластины 38.

Многожильный кабель управления 49 (рис. 162 и 157—159) присоединен к БВ с помощью многоконтактного штепсельного соединения 50.

Основные технические данные быстродействующего выключателя 12НС

Номинальное напряжение-3000 В

Номинальный ток-2000 А

Пределы регулировки при автоматическом выключении , 2000—3000 А

Ток уставки на электровозе ЧС2-2500±5%

Нажатие главных контактов-60 кгс±5%

Разрыв-26 мм±10°/о

Натяжение отключающей пружины-65 кгс

Номинальное напряжение катушек электромагнитного вентиля, удерживающей катушки электромагнита и блокировочных контактов-48 В

Число витков катушки удерживающего электромагнита-2350

Провод катушки-0 0,8 мм

Сопротивление катушки при 75° С-12,5

Давление воздуха для включения-35 кгс/см2

Вес выключателя-2132 кг

дугогасительной камеры-72

пневматического механизма-20