Воздушный автоматический выключатель

Воздушный автоматический выключатель (также автоматический выключатель в воздушном исполнении, АВВ) — это коммутационный электрический аппарат, предназначенный для включения и отключения электрических цепей в нормальном режиме, а также для автоматического отключения защищаемой цепи при возникновении аварийных ситуаций (токов короткого замыкания, перегрузок, недопустимых снижений напряжения). Основной средой гашения электрической дуги в таких выключателях является атмосферный воздух при нормальном давлении. Воздушные выключатели относятся к классу низковольтных (до 1000 В) и средневольтных (до 6-10 кВ) аппаратов, хотя в историческом контексте существовали и высоковольтные (35 кВ и выше) воздушные выключатели, гасящие дугу сжатым воздухом.

История развития

Первые автоматические выключатели появились в конце XIX века, одновременно с развитием систем электроснабжения. В 1879 году Томас Эдисон разработал простейший плавкий предохранитель, но он не обеспечивал многократного использования. В 1890-х годах были созданы первые масляные выключатели, где дуга гасилась в трансформаторном масле. Однако масляные аппараты были громоздкими, пожароопасными и требовали частого обслуживания.

В 1920-х годах в СССР и за рубежом начались разработки воздушных выключателей. Первые промышленные образцы появились в 1930-х годах. В 1935 году в США была выпущена серия воздушных автоматических выключателей для напряжений до 600 В с током до 6000 А. В СССР серийное производство началось в 1950-х годах (например, выключатели серии АВ-20, АВ-40). Ключевым преимуществом воздушного гашения дуги была безопасность (отсутствие масла) и возможность быстрого повторного включения.

В 1960-1970-х годах воздушные выключатели стали основным типом коммутационных аппаратов в распределительных устройствах (РУ) 0,4-10 кВ на промышленных предприятиях, электростанциях и подстанциях. С развитием вакуумной и элегазовой техники в 1980-1990-х годах воздушные выключатели для средних напряжений (6-10 кВ) были вытеснены вакуумными и элегазовыми аналогами, которые компактнее и надёжнее. В низковольтной сети (0,4 кВ) воздушные выключатели остаются доминирующим типом вводных и секционных аппаратов на большие токи (до 6300 А).

Принцип действия и устройство

Воздушный автоматический выключатель состоит из следующих основных узлов:

• Контактная система — главные (силовые) контакты, по которым протекает рабочий ток, и дугогасительные контакты, принимающие на себя удар дуги при размыкании.
• Дугогасительная камера — устройство, в котором происходит гашение электрической дуги. В воздушных выключателях камера представляет собой набор стальных или керамических пластин (деионная решётка), разбивающих дугу на короткие дуги, которые гаснут при переходе тока через ноль. В некоторых конструкциях применяется продольное дутьё сжатым воздухом.
• Привод — механизм, обеспечивающий включение и отключение контактов. Приводы бывают ручные (рычажные), пружинные (с предварительно взведённой пружиной) и электромагнитные (соленоидные). Для мощных выключателей (на токи свыше 1000 А) применяются пружинные или моторные приводы.
• Расцепители — устройства, автоматически воздействующие на механизм отключения при возникновении аномалий. Основные типы:
• Электромагнитный расцепитель (токовая отсечка) — срабатывает при токах короткого замыкания (КЗ) с выдержкой времени или без неё.
• Тепловой расцепитель (биметаллическая пластина) — защищает от длительных перегрузок.
• Минимальный расцепитель напряжения — отключает выключатель при снижении напряжения ниже заданного уровня.
• Независимый расцепитель — для дистанционного отключения.
• Вспомогательные контакты — для сигнализации положения выключателя (включён/отключён) и блокировок.

Принцип работы: в нормальном режиме ток проходит через замкнутые главные контакты. При возникновении перегрузки или КЗ расцепитель (тепловой или электромагнитный) воздействует на защёлку механизма, пружина размыкает контакты. Возникающая электрическая дуга перебрасывается на дугогасительные контакты и затягивается в камеру, где дробится на мелкие дуги между пластинами, охлаждается и гаснет. Время отключения составляет от 0,01 до 0,1 секунды.

Классификация

Воздушные автоматические выключатели классифицируются по нескольким признакам:

По роду тока

• Постоянного тока — применяются в тяговых подстанциях, на электротранспорте (метро, трамваи, электровозы).
• Переменного тока — наиболее распространены, работают в сетях 50/60 Гц.

По номинальному напряжению

• Низковольтные (до 1000 В) — основная масса, используются в распределительных щитах 0,4 кВ.
• Средневольтные (6-10 кВ) — исторически выпускались, но в настоящее время почти полностью вытеснены вакуумными и элегазовыми.

По конструктивному исполнению

• Стационарные — закрепляются неподвижно в шкафу, подвод питания осуществляется через болтовые соединения.
• Выдвижные (втычные) — устанавливаются на выкатные тележки, что позволяет быстро заменять выключатель без отключения шин.

По типу привода

• Ручные — с рычагом или рукояткой, для токов до 630 А.
• Пружинные — с ручным или моторным взводом пружины, для токов от 630 до 6300 А.
• Электромагнитные — с соленоидом, для быстродействующих выключателей постоянного тока.

По функциональному назначению

• Вводные — на входе в распределительное устройство.
• Секционные — для соединения секций шин.
• Линейные — для защиты отходящих линий.
• Быстродействующие — для защиты мощных выпрямителей и электролизных установок.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики воздушных автоматических выключателей:

• Номинальное напряжение (Uн) — 220, 380, 660 В (для низковольтных) или 6, 10 кВ (для средневольтных).
• Номинальный ток (Iн) — от 16 А до 6300 А (наиболее распространены 100, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300 А).
• Предельная коммутационная способность (ПКС) — максимальный ток КЗ, который выключатель способен отключить без повреждения (например, 25, 50, 100, 150 кА).
• Время отключения — от 0,01 до 0,1 с.
• Износостойкость — количество циклов включения-отключения без замены контактов (обычно от 10 000 до 50 000).
• Степень защиты — IP20, IP30, IP54 (для открытых установок).

Применение

Воздушные автоматические выключатели широко используются в:

• Распределительных устройствах (РУ) 0,4 кВ — на трансформаторных подстанциях, в главных распределительных щитах (ГРЩ) промышленных предприятий, жилых и общественных зданий.
• Системах электроснабжения — в качестве вводных, секционных и фидерных аппаратов.
• Тяговых подстанциях — для защиты цепей постоянного тока (метро, железные дороги).
• Электролизных установках — для защиты мощных выпрямителей.
• Судовых и морских установках — из-за устойчивости к вибрациям и возможности работы в условиях повышенной влажности (при соответствующем исполнении).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая надёжность и долговечность (ресурс до 50 000 циклов).
• Возможность многократного использования (в отличие от плавких предохранителей).
• Быстрое восстановление после отключения (не требуется замена элементов).
• Пожаробезопасность (отсутствие масла).
• Возможность дистанционного управления и автоматического повторного включения (АПВ).
• Широкий диапазон номинальных токов (до 6300 А).

Недостатки:

• Большие габариты и масса по сравнению с вакуумными и элегазовыми выключателями (особенно на токи свыше 1000 А).
• Высокий уровень шума при отключении (хлопок дуги).
• Необходимость периодического обслуживания (чистка дугогасительных камер, замена контактов).
• Ограниченная коммутационная способность при напряжениях выше 1000 В (в настоящее время уступают вакуумным).

Современные тенденции

В XXI веке воздушные автоматические выключатели продолжают совершенствоваться. Основные направления:

• Микропроцессорные расцепители — электронные блоки, позволяющие программировать времятоковые характеристики, селективность, регистрировать аварийные события.
• Модульные конструкции — уменьшение габаритов за счёт применения новых материалов (износостойкие контакты на основе серебра и вольфрама, высокопрочные пластики).
• Интеграция в системы «умного дома» и АСУ ТП — поддержка протоколов Modbus, Profibus, Ethernet.
• Разработка гибридных выключателей — комбинация воздушного гашения дуги с вакуумной камерой для снижения износа контактов.

В России и странах СНГ воздушные выключатели выпускаются рядом предприятий, в том числе «Электроаппарат» (Курск), «Электрощит» (Самара), «ЧЭАЗ» (Чебоксары). Зарубежные производители — ABB, Schneider Electric, Siemens, Eaton.

Интересные факты

• Первый в мире воздушный автоматический выключатель на напряжение 6 кВ был создан в 1929 году в Германии компанией AEG.
• В СССР в 1960-х годах выпускались воздушные выключатели серии ВВ-10 на напряжение 10 кВ с током отключения 20 кА, которые эксплуатировались до 1990-х годов.
• Воздушные выключатели постоянного тока для метрополитена способны отключать токи до 50 кА при напряжении 825 В.
• В современных низковольтных распределительных устройствах воздушные выключатели составляют до 80% всех коммутационных аппаратов на токи свыше 630 А.

Источники

• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание, 2002.
• ГОСТ Р 50030.2-2010 (МЭК 60947-2:2006) «Аппаратура распределения и управления низковольтная. Часть 2. Автоматические выключатели».
• Кудрин Б.И. «Электроснабжение промышленных предприятий». — М.: Энергия, 2005.
• Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / под ред. Ю.Г. Барыбина. — М.: Энергоатомиздат, 1991.
• Техническая документация на автоматические выключатели серий АВ, ВА, Compact NSX (Schneider Electric), SACE (ABB).