Быстродействующий выключатель (БВ) служит для защиты силовой цепи тяговых двигателей от токов короткого замыкания и перегрузок. Основное требование, предъявляемое к выключателю, — как можно быстрее прекратить нарастание тока короткого замыкания (к.з.) и отключить защищаемую цепь, не допуская повреждения ее элементов.
При отключении цепи обычными контакторами ток к.з. успевает достичь максимального значения. Разрыв контактов БВ и гашение дуги происходят намного быстрее, и токи к.з. не достигают своего максимума. Собственное время срабатывания аппарата составляет приблизительно 0,002 с, время гашения дуги — 0,003 с, поэтому полное время отключения равно 0,005…0,01 с.
Высокие защитные свойства выключателя определяются его конструкцией: оригинальная магнитная система, отсутствие промежуточных защелок, легкая система рычагов из алюминиевых сплавов, мощные отключающие пружины обеспечивают немедленное движение подвижных частей выключателя и малое время полного разрыва контактов при срабатывании аппарата.
Процесс выключения начинается в момент достижения тока силовой цепи уставки (600±50) А. Выключатель является поляризованным аппаратом, т.е. он срабатывает при прохождении тока по его размагничивающей катушке (виткам) в определенном направлении. Поэтому он используется на электропоездах только в тяговом режиме. На поездах с электрическим торможением для защиты силовых цепей в тормозных режимах служит быстродействующий контактор защиты КЗ.
Контактор КЗ и быстродействующий выключатель БВ электрически связаны между собой: при нажатии и отпускании кнопки «Возврат защиты» они одновременно восстанавливаются и, как правило, вместе срабатывают в аварийных случаях.
Быстродействующий выключатель (рис. 3.8) состоит из рамы, магнитопровода, главных контактов, дугогасительного устройства, пневматического привода и низковольтного блокировочного устройства. Между верхним и нижним основаниями рамы имеются четыре вертикальные стойки, две из которых являются изолированными. На изолированных стойках укреплена магнитная система, контактные рычаги и пневматический привод. В магнитную систему входят: магнитопровод 1, удерживающая катушка 16, размагничивающие витки 14, находящиеся внутри магнитопровода. Неподвижные контакты 4 закреплены болтами на специальном держателе. Подвижные контакты 5 закреплены на концах контактных рычагов 12 и соединены между собой гибким медным шунтом.
Рис. 3.8. Быстродействующий выключатель БВП-105А: 1 — магнитопровод; 2 — полюс; 3 — дугогасительная катушка; 4— неподвижный контакт; 5 — подвижной контакт; 6 — якорь; 7 — отключающая пружина; 8 — пневматический привод; 9 — воздухопровод; 10 — вентиль; 11 — шунт; 12 — рычаг подвижного контакта; 13 — рычаг; 14 — размагничивающие витки; 15 — блокировочное устройство; 16 — удерживающая катушка
При выключении аппарата контакты 4 и 5 размыкаются под действием двух отключающих пружин 7. Во включенном положении подвижная система выключателя удерживается электромагнитом 1, к полюсам которого притягивается якорь 6. Нажатие контактов при этом обеспечивают пружины 7, точка приложения усилий смещена влево по отношению к шарниру, соединяющему контактный рычаг и рычаг якоря. Натяжение пружин можно регулировать болтами.
Ток силовой цепи проходит через размагничивающие витки удерживающего электромагнита (рис. 3.9). БВ срабатывает или при размыкании цепи удерживающей катушки, или при повышении тока в силовой цепи, а значит, и в размагничивающих витках до значения уставки. В обоих случаях аппарат отключается вследствие того, что магнитный поток удерживающего электромагнита становится меньше определенной величины, при которой усилие пружин превышает усилие притягивания. В этот момент якорь под действием пружин отрывается от полюсов электромагнита, его рычаги вместе с рычагами подвижных контактов отбрасываются вниз в выключенное положение.
Рис. 3.9. Упрощенная схема намагничивания магнитопровода БВ
Одни и те же пружины воздействуют на главные контакты, обеспечивая нужное контактное нажатие во включенном положении, когда якорь удерживается электромагнитом, и отбрасывают подвижные детали вниз, размыкая контакты, когда якорь перестает удерживаться электромагнитом.
Пневматический привод выключателя состоит из цилиндра 8, внутри которого закреплены резиновая диафрагма и диск со штоком, системы рычагов и электропневматического вентиля 10. Резиновая диафрагма разделяет цилиндр на две полости. Через возбужденный вентиль под диафрагму поступает сжатый воздух, прогибает ее и через шток с роликом заставляет подвижные рычаги перемещаться вверх, подводя якорь к электромагниту.
Для включения быстродействующего выключателя сначала нужно подать питание на удерживающую катушку (рис. 3.10, а). После возбуждения катушки подвижная система рычагов не перемещается, потому что из-за большого воздушного зазора между якорем и полюсами электромагнита притягивающее усилие мало. Затем, нажимая на кнопку «Возврат защиты», подают питание на электропневматический вентиль. Под диафрагму пневматического привода поступает сжатый воздух, начинает подниматься шток с роликом, который, воздействуя на рычаги, растягивает отключающие пружины 8 (рис. 3.10, б) и подводит якорь к электромагниту. На рис. 3.9 видно, что теперь магнитный поток (тонкая линия) замыкается не через воздушный зазор, а через плотно прижатый якорь. Магнитный поток значительно увеличивается и удерживает подвижную систему выключателя. В это время (пока нажата кнопка «Возврат защиты») главные контакты еще не замкнулись, между ними имеется зазор около 7 мм, но блокировочные контакты разомкнули цепь сигнальной лампы. Свидетельствующей о включенном положении аппарата.
Рис. 3.10. Кинематическая схема БВ в выключенном (а), промежуточном (б) и включенном (в) состояниях: 1 — пневматический цилиндр; 2 — рычаг якоря; 3 — регулировочные винты; 4 — неподвижный контакт; 5 — подвижной контакт; 6 — буфер; 7 — размагничивающие витки; 8 — отключающая пружина; 9 — якорь; Фу — магнитный поток удерживающей катушки; Фр — магнитный поток размагничивающих витков
На следующем этапе отпускают кнопку «Возврат защиты», сжатый воздух выходит из цилиндра привода БВ, шток с роликом отходит от контактного рычага вниз, между рычагом и роликом образуется зазор. За счет плеча, образовавшегося между точками приложения отключающих пружин и осью шарнира, соединяющего контактный рычаг с рычагом якоря, главные пружины начнут поворачивать контактный рычаг против часовой стрелки, пока подвижный контакт не упрется в неподвижный.
Теперь аппарат включен (рис. 3.10, в), силовые контакты замкнулись после отключения пневматического привода (после отпускания кнопки «Возврат защиты»). Это сделано для того, чтобы при включении БВ на имеющееся в схеме короткое замыкание аппарат немедленно сработал и разорвал цепь.
Быстродействующий выключатель срабатывает при размыкании низковольтной цепи удерживающей катушки контактами соответствующих аппаратов. Обесточить катушку можно вручную, отключив выключатель управления ВУ (отключение всех БВ в поезде) или нажав кнопку в шкафу моторного вагона (отключение одного БВ).
В случае превышения тока уставки выключатель срабатывает автоматически под действием магнитного потока размагничивающих витков, расположенных на магнитном мостике магнитопровода БВ. Этот дополнительный сердечник иногда называют магнитным шунтом. Через него частично ответвляется магнитный поток удерживающей катушки.
Пока ток в силовой цепи тяговых двигателей не превышает тока уставки БВ, магнитный поток размагничивающих витков (жирная линия на рис. 3.9) хоть и направлен встречно потоку удерживающей катушки, срабатывания аппарата не вызывает. При перегрузке или коротком замыкании ток в силовой цепи резко возрастает. Магнитный поток размагничивающих витков увеличивается и нейтрализует поток катушки. Под действием отключающих пружин якорь отрывается от полюсов электромагнита, и его рычаги вместе с рычагами подвижных контактов немедленно отбрасываются вниз в отключенное положение.
При быстром возрастании магнитного потока размагничивающих витков в удерживающей катушке наводится эдс, направленная встречно току. Ток в катушке уменьшается, что приводит к уменьшению результирующего магнитного потока и снижению уставки аппарата. Таким образом, БВ обладает свойством ускоренного действия при тяжелых коротких замыканиях.
Главные контакты разошлись, однако процесс отключения не закончен. Цепь остается замкнутой через электрическую дугу между разошедшимися контактами. Гашение мощной дуги представляет собой серьезную проблему. Для этого на выключателе предусмотрен двойной разрыв цепи и две двухщелевые дугогасительные камеры с выхлопом в горизонтальном направлении.
С одной стороны, дугу выгодно погасить как можно быстрее, но при чрезмерно интенсивном дугогашении значительно возрастают перенапряжения, возникающие вслед за обрывом дуги (БВ разрывает цепь с большой индуктивной нагрузкой).
Магнитный поток в зоне контактов создают дугогасительные катушки 3 (см. рис. 3.8), имеющие по девять витков. Через них постоянно протекает ток силовой цепи, поэтому катушки вместе с