Быстродействующий выключатель БВП-5
Быстродействующий выключатель БВП-5 предназначен для быстрого автоматического отключения силовой цепи тяговых двигателей от контактной сети при коротких замыканиях на электровозе.
Эти выключатели используют также для отключения силовой цепи тяговых двигателей под воздействием дифференциального реле; реле максимального напряжения и реле минимального напряжения; реле перегрузки тяговых двигателей.
Отключение происходит настолько быстро ( 0,0015 – 0,003 сек ), что ток короткого замыкания не успевает достигнуть величины, опасной для электровоза. Для ускорения отключения предусмотрены силовые выключающие пружины, мощная дугогасительная система, облегчён вес подвижных частей и отсутствия всяких промежуточных механизмов.
Быстродействующий выключатель расположен в первом кузове в высоковольтной камере и крепится к полу кузова вдоль оси электровоза.
Быстродействующий выключатель БВП-5 состоит из корпуса, контактного устройства, пневматического привода, системы дугогашения, электромагнитного удерживающего устройства, механизма блокировок. Имеет массу 228 кг.
Корпус состоит из двух половин опорных рам, отлитых из алюминиевого сплава ( силумин ),скрепленных между собой при помощи шпилек. Корпус своими нижними захватами закрепляется на двух изолированных шпильках, концы которых скрепляются с опорными уголками. Алюминиевые рамы соединены с элементами подвижного контакта и при включённом выключателе находятся под полным напряжением контактной сети. Между рамами находится магнитопровод с удерживающей катушкой, который при включении также находится под полным напряжении контактной сети.
Удерживающая магнитная система выполнена составной. Она имеет П- образное ярмо, одна сторона которого выполнена в виде массивного круглого стержня. На этот стержень закрепляют удерживающую катушку. С разомкнутой стороны ярмо имеет два полюсных наконечника, набранных из листов стали толщиной 0,5 мм. В ярме имеются три отверстия с резьбой, в которые ввинчиваются регулировочные винты. Меняя положение винтов, можно изменять магнитное сопротивление сердечника и, следовательно, изменять удерживающую силу всей магнитной системы. Около винтов на ярме укреплена планка с делениями, которые приближёно указывают, на какую глубину должны ввертывать регулировочные винты для достижения регулировки автомата на нужный ток уставки в пределах 2500-200+100 А на время срабатывания 0,0015-0,003 сек. На головках винтов имеются прорези для установки фиксирующей планки после испытаний на стенде и планка пломбируется.
Удерживающая катушка расположена между рамами корпуса, на сердечнике магнитопровода и имеет 4600 витков эмалированного провода и рассчитана на ток 1,18 А . Она тщательно изолируется миканитом и лакотканью, так как сердечник магнитопровода, на который она насаживается, находится под полным рабочем напряжением контактной сети. Катушка питается низким напряжением +50 В от аккумуляторной батареи или генератора тока управления.
Магнитная система при возбуждении удерживающей катушки не может притянуть якорь, но способна удержать его в притянутом положении, если он будет приближён к полюсным наконечникам при помощи включающего механизма.
размагничивающий элемент ( виток ) выключателя вмонтирован между внутренними поверхностями полюсных башмаков. Предназначен для отключения БВ при повышения напряжения в контактной сети выше тока уставки при работе локомотива в режиме тяги. Он представляет собой размагничивающую катушку, состоящую из двух витков медной изолированной шины. Внутри катушки располагается наборный стальной сердечник шириной 20,5 мм и высотой 22 мм.
По размагничивающей катушке должен протекать ток силовой цепи. Поэтому один её конец присоединяется к раме выключателя, соединённый с подвижным контактом, а другой конец соединяется с выводными кабелями, идущими к тяговым двигателям.
Над магнитопроводом на боковинах укрепляется изоляционная гетинаксовая плита толщиной 20 мм, на которой устанавливается неподвижный контакт и магнитная дугогасительная система.
Контактная система состоит из неподвижного контакта и подвижного контакта. Неподвижный контакт устанавливается в специальном держателе, закреплённом на изоляционной гетинаксовой плите и к нему подходят четыре кабеля силовых кабеля от высоковольтного ввода. Подвижный контакт укрепляется на конце рычага подвижного механизма и для уменьшения веса , а также увеличения жёсткости изготовлен из набранных штампованных алюминиевых пластин. От подвижного контакта, отходят четыре высоковольтных кабеля к тяговым электродвигателям. Этот контактный рычаг закреплён на оси якоря удерживающего электромагнита при помощи валика. Держатель якоря может вращаться на оси, размещённой внизу опорных рам. Несколько ниже валика имеются две отключающие пружины, имеющие упругость около 22 кг, а вторые концы укреплены к приливу пневматического цилиндра через планку с регулировочным винтом. Контакты изготавливаются из меди толщиной 18 мм. и шириной 36 мм.
индуктивный шунтподключён параллельно размагничивающей катушке. Он представляет собой медную шину, на которую надет магнитный сердечник, набранный из круглых стальных пластин. В магнитном сердечнике индуктивного шунта делается продольная прорезь, заполняемая прокладками из немагнитных материалов. Эта прорезь предохраняет сердечник от магнитного насыщения при небольших токах, так как при его насыщении индуктивное сопротивление шунта стало бы очень небольшим и шунт перестал бы соответствовать своему назначению. По медной шине проходит часть тока, идущего в двигатели электровоза, а магнитный сердечник благодаря наведению в нём магнитного потока повышает индуктивное сопротивление этого устройства.
Индуктивный шунт предназначен для ускорения срабатывания быстродействующего выключателя при коротком замыкании, когда происходит резкое возрастание величины тока. Это действие основано на разности величины индуктивного сопротивления шунта по сравнению с величиной индуктивного сопротивления размагничивающего витка. Индуктивное сопротивление шунта примерно в 10 раз больше сопротивления размагничивающего витка, хотя его омическое сопротивление в 1,5 раза меньше соответствующего сопротивления витка.
При нормальной работе электровоза, когда по двигателям протекает постоянный ток, индуктивности шунта и витка не будут оказывать влияния на распределения тока между ними. Ток будет распределятся обратно пропорционально омическому сопротивлению их, т. е. по шунту будет проходить примерно 60% тока, а по витку 40%. Следовательно, если хотят отрегулировать быстродействующий выключатель так, чтобы его срабатывание происходило при общем токе электровоза, равным 1500 А, то автомат регулируется на отрыв подвижного контакта от неподвижного при протекании по размагничивающему витку тока примерно 600А.
При коротком замыкании в схеме электровоза происходит резкое возрастание величины тока. Вследствие этого начинает проявлять себя индуктивность шунта и витка, которая при изменении величины тока оказывает дополнительное сопротивление. Возрастающему току оказывается большее сопротивление в индуктивном шунте, поэтому почти всё дополнительное приращение тока проходит через размагничивающий виток. Ток в нём достигает величины, при котором происходит отрыв подвижного контакта от неподвижного, быстрее, чем общий ток электровоза достигнет величины тока уставки (2500 А). Так при коротком замыкании в цепи, ток в витке может достигнуть величины 600 А при общем токе электровоза 1200 А.
Поскольку размагничивающее действие витка зависит только от величины протекающего по нему тока, то в указанном выше условии произойдёт срабатывание быстродействующего выключателя при общем токе электровоза 1200 А, хотя автомат был отрегулирован на выключение при постоянном токе величиной1500 А. Следовательно, действие индуктивного шунта ускорило срабатывание быстродействующего выключателя, а это предотвращает электрические устройства электровоза от опасности протекания большого тока и от опасности их разрушения.
Магнитная дугогасительная система монтируется на гетинаксовой опорной плите и состоит из следующих элементах: Магнитопровода, набранного из тонколистовой магнитной стали, имеющего два съёмных полюса; Двух катушек магнитного дутья; Опорной плиты катушки; Опорных изоляторов; Опорной шпильки магнитопровода; Двух вееров.
Магнитопровод крепится на опорной гетинаксовой плите в трёх точках с помощью изоляторов и опорной шпильки. На концах сердечника находятся веерообразные полюса. Они набираются из вертикальных полос магнитной стали в плотный пакет у магнитопровода, а выше расходятся веером. Расстояние между полюсными наконечниками в верху равно 31 мм.
Катушек магнитного дутья две: левая и правая. Они расположены на сердечнике с зазорами 5 мм, каждая из которых выполнена из трёх неизолированных витков шинной меди. Катушки включены между собой в цепь тяговых электродвигателей параллельно. Выводы катушек подключены одними концами к держателю неподвижного контакта, а другим концом к опорной плите. На гетинаксовой плите установлен кронштейн, для установки дугогасительной камеры.
дугогасительная камера находится над силовыми контактами и между полюсами. Имеет массу 52 кг. Она состоит из двух половин, каждая из которых имеет с наружи стальные листы, которые соприкасаются с веерами дугогасительной системы . Каждая половина выполнена из асбестовых стенок с клинообразными рёбрами, укреплённые жидким стеклом. В нижней части камеры, над контактами, образуется щель шириной 4,5 мм, а в верхней части шириной 100 мм. После соединения обоих половинок камеры между рёбрами образуется щель, имеющая вид лабиринта, удлиняющею дугу в верхней части до 3,5 метров. Этим самым облегчается и ускоряется процесс гашения дуги. В нижней части камеры располагаются два рога, по которым перемещается дуга при размыкании силовых контактов. Один рог электрически соединён через рамы с подвижным контактом, а другой своим выступом входит в паз неподвижного контакта. Сверху камеры и боков устанавливаются деионные решётки, предназначенные для охлаждения и деионизации газов, чтобы предотвратить выброс пламени из камеры Камера опирается с одной стороны через валик шарнира на раму, а с другой стороны опирается на кронштейн. Камера закрепляется откидной тягой с барашком на конце. Для осмотра контактов камеру откидывают, предварительно освободив тягу.
Включающий механизм состоит из чугунного пневматического цилиндра, укреплённого между рамами, в котором ходит латунный поршень с уплотняющими кольцами. Шток поршня шарнирно присоединён к включающему рычагу ( толкатель), а последний при своём движении будет упираться роликом в рычаг подвижного контакта ниже шарнира, которым этот рычаг укреплён на рычаге держателя якоря. Сжатый воздух, вызывающий движение поршня, подаётся в цилиндр через электропневматический вентиль по резиновой трубке Включающий вентиль укреплён на опорном угольнике при помощи держателя.
При отсутствии в цилиндре сжатого воздуха все подвижные части включающего механизма оттягиваются в левое положение при помощи малой возвращающей пружины.
Блокировочная система установлена на быстродействующем выключателе с той же стороны, где установлен и включающий механизм. Применены блокировки мостикового типа. На плоской панели укреплены попарно пять пар неподвижных контактов, к которым подключаются провода цепей управления. На подвижном вертикальном стержне блокировки изолировано от него насажены пять контактных мостиков, имеющих некоторую свободу вертикального и горизонтального перемещения. Каждый мостик имеет притирающую пружину.
Подвижный стержень при помощи деревянной изоляционной тяги соединён с одним плечом коленчатого рычага, укреплённого шарнирно на раме выключателя. Второе плечо этого рычага при помощи металлической тяги соединяется с осью шарнира, которым главный рычаг подвижного контакта укрепляется на держателе якоря. При движении вправо держателя якоря и главного рычага подвижный стержень блокировочного устройства будет перемещаться вниз; при этом четыре блокировки разомкнутся и одна замкнётся.
Блокировочная система служит для воздействия на цепи управления других аппаратов, работа которых должна зависеть от включенного или выключенного положения быстродействующего выключателя. Эти же контакты обеспечивают сигнализацию.
Работа быстродействующего выключателя происходит следующим образом. При нажатии кнопки на пульте машиниста кнопки БВ подаётся питание на удерживающую катушку. Но якорь к полюсам не притягивается так как зазор достаточно большой, а сила электромагнита недостаточна. Нужно якорь приблизить к полюсам. Для этого возбуждается катушка электромагнитного вентиля. Кратковременным нажатием на кнопку Возврат БВ подаётся питание на катушку электромагнитного вентиля. Сжатый воздух, сжатый воздух поступающий в цилиндр, перемещает поршень с толкающим рычагом, шток поршня через ролик передаёт давление на рычажную систему подвижного контакта, поворачивая его нижнее плечо до соприкосновения с осью якорного рычага и, растягивая контактную и возвращающую пружины, подводит якорь к полюсам магнитопровода удерживающей катушки. Якорь приближенный к полюсам оказывается в притянутом положении удерживающим электромагнитом. В этом положении силовые контакты ещё разомкнуты, а блокировочные контакты замыкаются, сигнальная лампа БВ сигнализирует о не замыкании силовых контактов, а лишь о том, что якорь притянут к полюсам удерживающей катушки. Для того, чтобы главные контакты замкнулись необходимо возвратить поршень с толкающим устройством в исходное положение с тем, чтобы в случае включения цепи с коротким замыканием БВ имел возможность свободно разорвать эту цепь. Для этого разрываем цепь питания вентиля электропневматического привода кнопкой Возврат БВ сжатый воздух выходит из цилиндра. Включающий рычаг под действием возвращающей пружины отходит от контактного рычага, и выключающие пружины повернут контактный рычаг вокруг оси вращения, силовые контакты замыкаются. Якорь при этом остаётся притянутым к полюсам магнитной системы удерживающей катушки. Такой механизм включения не допускает возможности длительного включения аппарата на короткозамкнутую цепь, так как контакты не могут включаться до возврата включающего рычага со штоком.
Отключение (срабатывание) выключателя может произойти по двум причинам : от разрыва цепи удерживающей катушки контактами аппаратов защиты, включённых в её цепь ( реле дифференциальное, кнопка БВ) ; вследствие ослабления магнитного потока удерживающей катушки встречным потоком размагничивающего витка, последовательно включённого в силовую цепь ( при коротком замыкании с токами, превышающими 3200 А).
Выключение БВ при коротком замыкании в силовой цепи тяговых электродвигателей происходит следующим образом. Удерживающая катушка создаёт в полюсах и якоре магнитный поток, имеющий направление по часовой стрелке. Находящаяся между полюсами размагничивающая катушка создаёт в этой же зоне магнитный поток обратного направления, т.е. против часовой стрелки. Следовательно, магнитное поле, создаваемое удерживающей катушкой, намагничивает якорь и полюсы, а магнитный поток размагничивающей катушки выполняет обратное действие. Но так как при нормальных токах в цепи двигателей магнитный поток размагничивающей катушки значительно меньше, чем в удерживающей, то результирующий магнитный поток вполне достаточен , чтобы противодействовать выключающим пружинам оторвать якорь от полюсов и разомкнуть силовые контакты БВ.
При коротких замыканиях, когда ток в цепи тяговых электродвигателях, а следовательно, и в размагничивающей катушке резко возрастает, удерживающая сила результирующего магнитного потока становится меньше силы выключающих пружин и происходит выключение быстродействующего выключателя. Образовавшая дуга под действием магнитного поля дугогасительных катушек перемещается по рогам в камеру. В лабиринте камеры дуга удлиняется и гаснет.
Для ускорения процесса выключения быстродействующего выключателя при коротком замыкании параллельно размагничивающей катушке включается индуктивный шунт.